DE102005056038A1 - Battery`s e.g. lead battery, state of charge determining method, involves determining state of charge by weighted combination of initial value of expert system with parameter that is obtained by current integration of electric current - Google Patents

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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/367—Software therefor, e.g. for battery testing using modelling or look-up tables

Abstract

The method involves determining a state of charge (SOC) by a weighted combination of an initial value of an expert system with a parameter that is obtained by current integration of an electric current, which flows through a battery (12). A weighting factor is determined dynamically in the operation of the battery. A temporal average value of a parameter is formed for generating an input value of the expert system. An independent claim is also included for a device for executing a method for determining a state of charge of a battery.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands einer Batterie sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.The The invention relates to a method for determining the state of charge a battery and a device for carrying out the method according to the Topics of the independent Claims.

Beim Einsatz von Batterien, insbesondere für Fahrzeugantriebe wie etwa Hybridfahrzeuge, ist die genaue Kenntnis des Ladezustands der Batterie erforderlich. Sowohl ein Überladen als auch eine Tiefentladung schädigt die Batterie und verkürzt deren Lebensdauer. Die Betriebsstrategie des Fahrzeugs muss geeignet die rechtzeitige Ladung und Entladung der Batterie angepasst werden.At the Use of batteries, in particular for vehicle drives such as Hybrid vehicles, the exact knowledge of the state of charge of the battery is required. Both an overload as well as a deep discharge harms the battery and shortens their life. The operating strategy of the vehicle must be suitable the timely charge and discharge of the battery can be adjusted.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, bei dem eine Ladezustandbestimmung der Batterie im Betrieb ohne Eingriff in die Betriebsstrategie ermittelt werden kann.task The invention is to provide a method in which a state of charge determination of Battery in operation determined without intervention in the operating strategy can be.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.The The object is achieved by the Characteristics of the independent claims solved.

Günstige Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen Favorable price and further developments of the invention are the further claims remove

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands einer Batterie sieht vor, dass der Ladezustand durch eine gewichtete Kombination eines Ausgangswerts eines Expertensystems mit einem durch Stromintegration eines durch die Batterie fließenden elektrischen Stroms gewonnenen Parameters bestimmt wird.The inventive method for determining a state of charge of a battery provides that the state of charge by a weighted combination of an output value an expert system with a through current integration of a through the battery is flowing electric current obtained parameter is determined.

Expertensysteme sind allgemein wissensbasierte Datenbanken. Als Expertensystem wird eine Klasse von Software-Systemen bezeichnet, die auf der Basis von Expertenwissen zu Lösungen oder Bewertungen bestimmter Problemstellungen gelangen können. In einem Expertensystem oder Wissensbasiertem System ist die Wissensbasis der Bereich des Systems, der das Fachwissen in einer beliebigen Repräsentationsform enthält. Ergänzt wird die Wissensbasis durch eine Interferenzmaschine, also eine Hardware oder Software, mit der auf der Wissensbasis operiert werden kann. Dazu wird die so genannte Fuzzy Logik eingesetzt. Diese berücksichtigt, dass alle Messwerte keine genau definierten Zahlen sind, sondern Mitglieder einer durch Messfehler hervorgerufenen Verteilungsfunktion mit der Konsequenz, in allen Funktionen und Gleichungen alle Zahlen durch Verteilungsfunktionen zu ersetzen. Die Ladezustandbestimmung zeichnet sich daher durch eine schnelle Konvergenz der Berechnung und durch eine hohe Genauigkeit aus. Abweichungen von einem „wahren" Ladezustand liegen vorzugsweise unter 10%. Ein Kalibrierverfahren zur Bestimmung des Ladezustands kann entfallen. Die Ermittlung des Ladezustands kann daher im Betrieb permanent erfolgen ohne Eingriff in die Betriebsstrategie beispielsweise eines Fahrzeugs, in dem die Batterie eingesetzt ist. Vorteilhaft wird die Erfindung bei Nickelmetallhydrid-Batterien (NiMH) verwendet, die insbesondere in Hybridfahrzeugen eingesetzt werden. Die Erfindung kann jedoch auch bei Lithium-Ionen-Batterien oder Bleibatterien eingesetzt werden.expert systems are generally knowledge-based databases. As an expert system is a class of software systems that are based on from expert knowledge to solutions or evaluations of certain problems. In An expert system or knowledge-based system is the knowledge base the area of the system that has the expertise in any form of representation contains. Added the knowledge base becomes through an interference engine, thus a hardware or software that can be operated on the knowledge base. For this purpose, the so-called fuzzy logic is used. This takes into account that all measurements are not exactly defined numbers, but Members of a distribution function caused by measurement errors with the consequence, in all functions and equations all numbers to replace with distribution functions. The state of charge determination is characterized by a fast convergence of the calculation and by a high accuracy. Deviations from a "true" state of charge are preferably below 10%. A calibration procedure for determining the State of charge can be omitted. The determination of the state of charge can therefore permanent in operation without intervention in the operating strategy For example, a vehicle in which the battery is inserted. Advantageous the invention is used in Nickel Metal Hydride (NiMH) batteries, which are used in particular in hybrid vehicles. The invention can but also with lithium-ion batteries or lead batteries are used.

Eine hohe Genauigkeit der Berechnung kann erreicht werden, wenn in einem bevorzugten Verfahrensschritt der Gewichtungsfaktor dynamisch im Betrieb der Batterie ermittelt wird.A high accuracy of the calculation can be achieved if in one preferred method step the weighting factor dynamically Operation of the battery is determined.

Vorteilhaft wird zur Bildung wenigstens eines Eingangswerts des Expertensystems ein zeitlicher Mittelwert eines Parameters über einen vergangenen Zeitraum gebildet. Bevorzugt ist der Parameter eine elektrische Spannung und/oder ein elektrischer Strom der Batterie. Besonders bevorzugt werden wenigstens zwei Eingangswerte der Spannung erzeugt, die über unterschiedlich weit zurückliegende Zeiträume gemittelt werden. Dabei ist günstig, wenn der eine Eingangswert der Spannung über die letzte und der andere Eingangswert über die vorletzte Minute vor der aktuellen Ermittlung des Ladezustands gemittelt wird. Der Strom wird bevorzugt über die letzte Minute vor der aktuellen Ermittlung des Ladezustands gemittelt. Durch die Mittelwertbildung wird eine stabile Berechnung erreicht.Advantageous becomes at least one input value of the expert system a time average of a parameter over a past period educated. The parameter is preferably an electrical voltage and / or an electric current of the battery. Especially preferred At least two input values of the voltage are generated which are different over each other far back periods be averaged. It is favorable, if one input value of the voltage over the last and the other Input value over the penultimate minute before the current determination of the state of charge is averaged. The stream is preferred over the last minute before the averaged the current determination of the state of charge. By averaging a stable calculation is achieved.

Wird die Temperatur der Batterie als Eingangswert herangezogen, kann ein Einfluss eines temperaturabhängigen Innenwiderstands der Batterie korrigiert werden.Becomes the temperature of the battery used as an input value, can an influence of a temperature-dependent Internal resistance of the battery can be corrected.

Besonders vorteilhaft erfolgt die Kombination unter Anwendung einer Fuzzy-Logik. Abweichungen des Ladezustands nach einer längeren Standzeit der Batterie werden schnell und sicher erkannt und korrigiert.Especially Advantageously, the combination is carried out using a fuzzy logic. Deviations of the state of charge after a longer service life of the battery are quickly and safely detected and corrected.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Bestimmung eines Ladezustands einer Batterie ist eine Fuzzy-Logik-Einheit vorgesehen, die zur Kombination von zeitlich gemittelten Parametern wenigstens von elektrischer Spannung und elektrischem Strom der Batterie ausgebildet ist. Günstigerweise ist eine Einheit zur Integration von elektrischer Spannung und elektrischem Strom der Batterie vorgesehen.at the device according to the invention to carry out the method for determining a state of charge of a battery a fuzzy logic unit is provided for combining time-averaged parameters of at least electrical voltage and electric power of the battery is formed. conveniently, is a unit for the integration of electrical voltage and electrical Power of the battery provided.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert, ohne auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt zu sein.Further Advantages and details of the invention are described below a preferred embodiment described in the drawing explained in more detail, without to this embodiment limited to be.

Dabei zeigen:there demonstrate:

1 schematisch einen Darstellung einer erfindungsgemäßen Ladezustandsbestimmung; und 1 schematically an illustration of a charge state determination according to the invention; and

2 einen Vergleich von Ergebnissen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit tatsächlichen Ladezustandswerten und eine Fehlerangabe als Funktion der Zeit. 2 a comparison of results of the method according to the invention with actual charge state values and an error indication as a function of time.

Die Erfindung wird anhand der schematischen Darstellung einer bevorzugten Ladezustandbestimmung in 1 illustriert. Eine Vorrichtung 10 zur Bestimmung eines Ladezustands SOC einer Batterie 12 weist eine Einheit 14 mit einer Fuzzy-Logik-Einheit und einem Expertensystem auf. Das Ausgangssignal der Einheit 14 stellt den Ladezustand SOC dar.The invention is based on the schematic representation of a preferred state of charge determination in 1 illustrated. A device 10 for determining a state of charge SOC of a battery 12 has a unit 14 with a fuzzy logic unit and an expert system. The output signal of the unit 14 represents the state of charge SOC.

Die Einheit 14 erhält als Eingangswerte Parameter der Batterie, insbesondere elektrische Spannung, elektrischer Strom sowie Temperatur der Batterie 12. Dabei wird zur Bildung der Eingangswerte des Expertensystems in der Einheit 14 ein zeitlicher Mittelwert des Stroms <I> und der über einen vergangenen Zeitraum, bevorzugt der letzten Minute, gebildet. Es werden zwei Eingangswerte der Spannung <U1>, <U2> erzeugt, die über unterschiedlich weit zurückliegende Zeiträume gemittelt werden, wobei der erste Wert <U1> bevorzugt über die letzte und <U2> vorletzte Minute gemittelt werden. Details zu Einheiten zur Mittelwertbildung dieser Parameter sind nicht dargestellt, jedoch dem Fachmann bekannt. Weiterhin wird die Temperatur T der Batterie 12 als Eingangswert herangezogen.The unit 14 receives as input values parameters of the battery, in particular electrical voltage, electric current and temperature of the battery 12 , It is used to form the input values of the expert system in the unit 14 a time average of the current <I> and over a past period, preferably the last minute formed. Two input values of the voltage <U1>, <U2> are generated, which are averaged over time periods of different lengths, wherein the first value <U1> is preferably averaged over the last and <U2> penultimate minute. Details of averaging units of these parameters are not shown but known to those skilled in the art. Furthermore, the temperature T of the battery 12 used as input value.

Als weiterer Eingangswert kann, insbesondere bei Bleibatterien, auch der dynamische Innenwiderstand der Batterie genutzt werden. Einfach und zweckdienlich lässt sich dieser mit heute marktüblichen Batteriesensoren ermitteln (z.B. mittels des so genannten intelligenten Batterie-Sensors (IBS) der Firma Bosch)When Another input value, especially for lead acid batteries, also the dynamic internal resistance of the battery can be used. Easy and expedient this with today's market Detect battery sensors (e.g., by means of the so-called intelligent Battery sensor (IBS) from Bosch)

Aus diesen Eingangswerten wird ein Fuzzy-Ladezustand bestimmt, der mit einem Stromintegralwert Iint aus einer Stromintegration des durch die Batterie 12 fließenden Stroms gewichtet kombiniert wird, wobei der Gewichtungsfaktor dynamisch im Betrieb der Batterie 12 ermittelt wird. Dies erfolgt beispielsweise während der Fahrt eines Hybridfahrzeugs, bei der die Batterie 12 betriebsabhängig geladen und entladen wird. Der Fuzzy-Ladezustand wird mit dem Stromintegralwert kombiniert und korrigiert somit etwaige Fehler der Stromintegration.From these input values, a fuzzy state of charge is determined, which has a current integral value I int from a current integration of the battery 12 weighted by the current flowing, the weighting factor being dynamic in the operation of the battery 12 is determined. This occurs, for example, during the journey of a hybrid vehicle, in which the battery 12 Operationally charged and discharged. The fuzzy state of charge is combined with the current integral value and thus corrects any errors in current integration.

Dadurch, dass die Eingangswerte des Expertensystems aus der Temperatur T und über den Zeitraum der letzten Minute gemittelten Werten des Stroms <I> und den gemittelten Spannungswerten <U1>, <U2> der letzten und vorletzten Minute bestehen, kann angenommen werden, dass man bei Dauerbetrieb mit ständigem Laden und Entladen der Batterie 12 bei mittleren Ladezuständen SOC immer in der Mitte der Spannungshysterese der Batterie 12 befindet. Diese Annahme ist vor allem bei NiMH-Batterien sinnvoll. Durch die Beobachtung der Spannung <U1>, <U2> der letzten zwei Minuten und des Strommittelwerts <I> kann auf einen „mittleren" Spannungswert geschlossen werden, welcher einen Rückschluss auf den Ladezustand SOC der Batterie 12 zulässt. Mit der Temperatur T kann der temperaturabhängige Innenwiderstand der Batterie 12 berücksichtigt werden.The fact that the input values of the expert system consist of the temperature T and the average values of the current <I> and the average voltage values <U1>, <U2> of the last and penultimate minute over the last minute period, can be assumed to be at Continuous operation with constant charging and discharging of the battery 12 at medium state of charge SOC always in the middle of the voltage hysteresis of the battery 12 located. This assumption makes sense especially for NiMH batteries. By observing the voltage <U1>, <U2> of the last two minutes and the average current <I>, it is possible to conclude that there is a "medium" voltage value, which indicates the state of charge SOC of the battery 12 allows. With the temperature T, the temperature-dependent internal resistance of the battery 12 be taken into account.

2 verdeutlicht die Wirkung der Erfindung anhand von Ladezustandskurven 16 und 18 in Abhängigkeit der Zeit t. Kurve 16 entspricht aus dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmten Ladezustandswerten SOC, Kurve 18 stellt den wahren Verlauf des Ladezustands der Batterie 12 dar. Kurve 20 verdeutlicht den geringen Fehler F in Prozent, der zwischen den wahren und den berechneten Werten weniger als 10%, höchstens sogar nur 7%, beträgt. Der Ladezustand SOC wurde hier mittels mehrerer standardisierter Fahrzyklen für ein Kraftfahrzeug über 3,5 Stunden ermittelt. Zu Beginn wurde der Fuzzy-SOC-Wert um 45% ausgelenkt. Neben der geringen Abweichung des erfindungsgemäß bestimmten Ladezustands SOC ist die schnelle Konvergenz des erfindungsgemäßen Verfahrens erkennbar. 2 illustrates the effect of the invention using state of charge curves 16 and 18 depending on the time t. Curve 16 corresponds from the inventive method certain state of charge values SOC, curve 18 represents the true progress of the state of charge of the battery 12 dar. curve 20 illustrates the small error F in percent, which is less than 10% between the true and the calculated values, and at most only 7%. The state of charge SOC was determined here by means of several standardized driving cycles for a motor vehicle over 3.5 hours. At the beginning, the fuzzy SOC value was deflected by 45%. In addition to the small deviation of the charge state SOC determined according to the invention, the rapid convergence of the method according to the invention can be seen.

Claims (12)

Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustand (SOC) einer Batterie (12), dadurch gekennzeichnet, dass der Ladezustand (SOC) durch eine gewichtete Kombination eines Ausgangswerts eines Expertensystems mit einem durch Stromintegration eines durch die Batterie (12) fließenden elektrischen Stroms gewonnenen Parameters (Iint) bestimmt wird.Method for determining a state of charge (SOC) of a battery ( 12 ), characterized in that the state of charge (SOC) is determined by a weighted combination of an output value of an expert system with a current integrated by the battery (SOC). 12 ) flowing electrical current parameter (I int ) is determined. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtungsfaktor dynamisch im Betrieb der Batterie (12) ermittelt wird.Method according to Claim 1, characterized in that the weighting factor is dynamic during operation of the battery ( 12 ) is determined. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung wenigstens eines Eingangswerts des Expertensystems ein zeitlicher Mittelwert eines Parameters über einen vergangenen Zeitraum gebildet wird.Method according to claim 1 or 2, characterized that for forming at least one input value of the expert system a time average of a parameter over a past period is formed. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter eine elektrische Spannung und/oder ein elektrischer Strom der Batterie ist.Method according to claim 3, characterized that the parameter is an electrical voltage and / or an electrical Power of the battery is. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Eingangswerte der Spannung (<U1>, <U2>) erzeugt werden, die über unterschiedlich weit zurückliegende Zeiträume gemittelt werden.Method according to claim 4, characterized in that that at least two input values of the voltage (<U1>, <U2>) are generated, which are different far back periods be averaged. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Eingangswert der Spannung (<U1>) über die letzte und der andere Eingangswert (<U2>) über die vorletzte Minute vor der aktuellen Ermittlung des Ladezustands (SOC) gemittelt wird.Method according to claim 5, characterized in that that the one input value of the voltage (<U1>) over the last and the other input value (<U2>) over the penultimate minute before the current state of charge (SOC) is averaged. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom über die letzte Minute vor der aktuellen Ermittlung des Ladezustands (SOC) gemittelt wird.Method according to one of claims 4 to 6, characterized that the electricity over the last minute before the current determination of the state of charge (SOC) is averaged. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T) der Batterie (12) als Eingangswert herangezogen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the temperature (T) of the battery ( 12 ) is used as the input value. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dynamische Innenwiderstand der Batterie (12) als Eingangswert herangezogen wirdMethod according to one of the preceding claims, characterized in that the dynamic internal resistance of the battery ( 12 ) is used as the input value Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination unter Anwendung einer Fuzzy-Logik erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the combination using a fuzzy logic he follows. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Bestimmung eines Ladezustand (SOC) einer Batterie (12), dadurch gekennzeichnet, dass eine Fuzzy-Logik-Einheit (14) vorgesehen ist, die zur Kombination von zeitlich gemittelten Parametern wenigstens von elektrischer Spannung und elektrischem Strom der Batterie (12) mit einem Stromintegrationswert (Iint) ausgebildet ist.Device for carrying out the method for determining a state of charge (SOC) of a battery ( 12 ), characterized in that a fuzzy logic unit ( 14 ) is provided for the combination of time-averaged parameters of at least electrical voltage and electric current of the battery ( 12 ) Is formed with a current integration value (I int). Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einheit zur Mittelwertbildung von elektrischer Spannung und elektrischem Strom der Batterie (12) vorgesehen ist.Apparatus according to claim 10, characterized in that a unit for averaging the voltage and the electric current of the battery ( 12 ) is provided.
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DE19810808C2 (en) * 1998-03-12 2000-03-23 Siemens Ag Method for trickle charging an accumulator
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