DE102007006477A1

DE102007006477A1 - Verfahren zur Überwachung des Gesundheitszustandes eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102007006477A1
Application number: DE102007006477A
Authority: DE
Inventors: Eckhard Karden; Engbert Spijker; Holger Jung; Lutz Gaedt
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2007-02-09
Filing date: 2007-02-09
Publication date: 2008-08-14

Abstract

Es wird ein Verfahren beschrieben, welches eine zuverlässige Ermittlung des Innenwiderstandes einer Fahrzeugbatterie erlaubt. Das Verfahren dient zur Überwachung des Gesundheitszustandes eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs, insbesondere einer Fahrzeugbatterie oder eines Superkondensators, über eine Bestimmung des Innenwiderstandes R_i des Energiespeichers. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß der Innenwiderstand über eine Spannungsveränderung der Spannung des Energiespeichers durch Zu- oder Abschalten eines an das Bordnetz des Fahrzeugs angeschlossenen Verbrauchers R_Li ermittelt wird, wobei die Spannung des Energiespeichers U_o bei ausgeschaltetem Verbraucher R_Li und die Spannung U_Bat des Energiespeichers bei eingeschaltetem Verbraucher gemessen und daraus ein Spannungsunterschied ΔU_Bat ermittelt wird, wobei der Innenwiderstand R_i durch die Formel R_i = ΔU_Bat/U_o x R_Li ermittelt wird.

Description

Ein Verfahren zur Überwachung des Gesundheitszustandes eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs, insbesondere einer Fahrzeugbatterie.
In Kraftfahrzeugen werden Batterien oder Superkondensatoren zur elektrischen Energiespeicherung eingesetzt. Sie werden bei laufendem Motor durch einen Generator aufgeladen und liefern elektrische Energie, wenn der Motor ausgeschaltet ist, sie liefern Energie zum Starten des Motors oder liefern bei laufendem Motor zusätzliche Energie, wenn viele Verbraucher, wie Licht, Heckscheibenheizung und weitere Verbraucher eingeschaltet sind.
Bekannt ist es, den sogenannten Gesundheitszustand der Batterie durch Ermittlung des Innenwiderstandes bzw. durch Messung des Batteriestromes und der Batteriespannung zu berechnen. Eine Strommessung ist jedoch teuer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu finden, das eine zuverlässige Ermittlung des Innenwiderstandes der Batterie, insbesondere ohne Strommessung, erlaubt.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Innenwiderstand über eine Spannungsveränderung des Energiespeichers durch Zu- oder Abschalten eines an das Bordnetz des Fahrzeugs angeschlossenen Verbrauchers R_Li ermittelt wird, wobei

– die Spannung des Energiespeichers U_o bei ausgeschalteten Verbraucher R_Li und
– die Spannung U_Bat des Energiespeichers bei eingeschalteten Verbraucher gemessen und daraus ein Spannungsunterschied ΔU_Bat, und
– der Innenwiderstandes R_i durch die Formel Ri = ΔUBat/UBat × RLi ermittelt wird.

Durch eine Messung der Spannungsabsenkung bei Belastung der Batterie mit einem an dem Bordnetz angeschlossenen Verbraucher kann der Innenwiderstand zuverlässig ermittelt werden, und zwar ohne eine Strommessung durchführen zu müssen.
Für die Durchführung des Verfahrens sind alle elektrischen Verbraucher geeignet, bei denen der aktuellen Betriebszustandes bekannt ist, z. B. Scheibenheizungen, insbesondere von Heck- oder Frontscheibe, Sitzheizungen, Gebläse usw. Ein Ausschalten im Sinne der Erfindung liegt auch schon vor, wenn ein Verbraucher über verschiedene Laststufen verfügt, z. B. ein Gebläse, und diese nacheinander geschaltet werden, wie es bei Sitzheizungen der Fall ist, die nach einer gewissen Einschaltdauer automatisch zurückgeschaltet werden. Diese Änderung im Widerstand des Verbrauchers ist hier auch als ein Ausschalten zu verstehen.
Durch das Einschalten von Verbrauchern, die an das Bordnetz angeschlossen sind, entfällt ein zusätzlicher Lastwiderstand für die Belastung der Batterie bzw. des Superkondensators. Die zum Beispiel serienmäßig eingebauten Lastwiderstandswerte sind bekannt, so daß eine Strommessung entfällt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß der Verbraucherstatus des Verbraucher R_Li und der Generatorstatus erfaßt werden. Dadurch wird erkannt, daß das Bordnetz nicht durch den Generator gespeist wird. Auf diese Weise wird ein falsches Meßergebnis verhindert und eine Messung kann, während der Motor ausgeschaltet ist, durchgeführt werden. Das Verfahren kann auch bei laufendem Motor durchgeführt werden, wenn der Generator abgeschaltet ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Verbraucher R_Li ein periodisch ein- und ausgeschalteter Verbraucher ist, insbesondere wenn der Verbraucher R_Li eine Warnblinkanlage ist. Mehrere Messungen erhöhen die Meßgenauigkeit. Die Warnblinkanlage führt außerdem bei eingeschaltetem Warnlicht zu einer Stromänderung von etwa 10 A bis 16 A, so daß bei üblichen Batterien eine deutlich meßbare Spannungsabsenkung ΔU_Bat von zum Beispiel 60 mV vorhanden ist. Die Messung der Spannungsabsenkung ΔU_Bat ist zweckmäßig in Verbindung mit einem schlüssellosen Zugangssystem, der die Warnblinkanlage betätigt noch bevor ein Motor gestartet werden kann.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der Verbraucher R_Li mit einer Frequenz von 1 bis 10 Hz ein- und ausgeschaltet wird. Diese Frequenz liegt unterhalb einer typischen Grenzfrequenz der Batterie von etwa 100 Hz. Die Grenzfrequenz ergibt sich aus einem Ersatzschaltbild der Batterie mit einem oder mehreren Kondensatoren und Widerständen.
Günstig ist es, wenn der Verbraucher R_Li an ein Bussystem, insbesondere ein CAN-Bus, über eine Schnittstelle angeschlossen ist und durch ein mit dem Bussystem verbundenen zentralen Steuerungsmodul gesteuert wird. Die zentrale Steuerung koordiniert die Messung und Auswertung der Innenwiderstandsmessung.
Um den Widerstandswert des Verbrauchers R_Li für die Berechnung des Innenwiderstandes R_i heranzuholen, ist dieser bevorzugterweise in einer gespeicherten Tabelle (look up table) von den Verbrauchern des Bordnetzes zugeordneten Widerstandswerten abgelegt.
Da der Widerstandswert des Verbrauchers R_Li insbesondere bei Lampen bzw. Halogenlampen sich mit der Temperatur verändert, wird dieser bevorzugterweise durch ein thermisches Model ermittelt und zur Berechnung des Innenwiderstandes R₁ herangezogen. Das thermische Modell berechnet die aktuelle Leistung P_th des Verbrauchers, und zwar über die vorhandene Spannung U_o, wobei die Leistung P_th aus P_th = U_o ²/R_Li ermittelt wird. Näherungsweise wird daraus eine Temperatur des Verbrauchers bzw. ein entsprechender Widerstandswert ermittelt.
Bevorzugterweise erfolgt eine Messung der Spannung des Energiespeichers mit einer absoluten Meßgenauigkeit von etwa 1 bis 5 mV, insbesondere etwa 3 mV. Diese Genauigkeit ist erforderlich, um eine zuverlässige Aussage über den Gesundheitszustand der Batterie treffen zu können. Bei einer Verdopplung des Innenwiderstandes ist erfahrungsgemäß die Lebensdauer der Batterie erreicht. Bei einer Spannungsdifferenz von 60 mV und einer Last R_Li von 1,2 Ohm, einem Innenwiderstand R_i von 6 mΩ und einer Batteriespannung U₀ von 12 V ergibt sich eine Genauigkeit der Messung von ΔU_Bat von 5%.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der Zeichnungen näher erläutert, wobei weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung und Vorteile derselben beschrieben sind.
Es zeigen:
1 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Erfassung des Innenwiderstandes einer Batterie,
2 ein zweites Ersatzschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Erfassung des Innenwiderstandes einer Batterie,
3 ein Strom/Spannungsdiagramm bei ausgeschaltetem Motor eines Fahrzeugs, und
4 ein Strom/Spannungsdiagramm bei laufendem Motor des Fahrzeugs.
1 zeigt ein vereinfachtes Ersatzschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Erfassung des Innenwiderstandes R_i einer Batterie in einem Fahrzeug. Diese wird durch einen Generator (Lichtmaschine) aufgeladen und durch Verbraucher R_L1, R_L2 bis R_LK bzw. R_Li entladen, die an das Bordnetz angeschlossen sind.
Durch Einschalten eines Verbrauchers R_L1 ändert sich der Batteriestrom. Die Stromdifferenz beträgt ΔIBat= –ΔILi = –UBat/RLi.
Der Innenwiderstand kann durch das ohmsche Gesetz ermittelt werden, und zwar mit: Ri = ΔUBat/ΔIBat.
Durch Einfügen der obigen Formel resultiert: Ri = –ΔUBat/UBat × RLi.
Wichtig ist, daß ΔU_Bat mit einer hohen Genauigkeit gemessen wird. Durch die Messung von ΔU_Bat bzw. U_Bat ist es nicht erforderlich, den Batteriestrom zu messen. Die Messung des Batteriestromes ist aufwändig und teuer. Bei der Spannungsmessung wird U₀ mit einer erheblich größeren Genauigkeit gegenüber ΔU_Bat gemessen, da der relative Fehler wesentlich geringer ist, insbesondere mindestens eine Zehnerpotenz geringer ist. Maßgeblich ist daher die Messung von ΔU_Bat.
Typische Parameter sind:
U_Bat = 12 Volt, ΔI_Li = 10A, R_i = 6 mΩ
Daraus ergibt sich ein Lastwiderstand von R_Li = U_Bat/ΔI_Li = 1,2 Ohm.
Die Spannungsdifferenz AU_Bat = R_i × ΔI_Bat = 60 mV.
Der relative Fehler in der Spannungsmessung bei einer Meßgenauigkeit von 3 mV beträgt 5% für ΔU_Bat und 0,025% für U_Bat.
Bei einem Meßbereich von 20 V ergibt sich bei einer digitalen Spannungsmessung mittels eines A/D-Wandlers das Erfordernis von mindestens 13 Bit. Vorzugsweise werden 14 Bit mit einer guten digitalen Filterung eingesetzt.
Angenommen der relative Fehler von R_Li sei nicht größer als 5%, dann summieren sich die relativen Fehler von ΔU_Bat und R_Li, d. h. 5% + 5% = 10%.
Der Batterieinnenwiderstand R_i kann somit mit einem relativen Fehler von 10% bestimmt werden.
Im Vergleich zu üblichen Innenwiderstandsmessungen im Kraftfahrzeugbereich, die mit einem relativen Meßfehler von 20%–50% liegen, stellt das erfindungsgemäße Meßverfahren eine deutliche Verbesserung dar.
Dadurch kann eine defekte Batterie besser erkannt werden, wobei vorzugsweise ein Defekt vorliegt, wenn der Batterieinnenwiderstand sich mindestens verdoppelt hat. Durch den geringen Meßfehler wird vermieden, daß eine defekte Batterie noch als gesund erkannt wird.
Vorzugsweise wird der Verbraucherstatus des Verbrauchers R_Li und der Generatorstatus erfaßt. Dadurch ist es möglich festzustellen, daß nur eine Leerlaufspannung U₀ vorliegt bzw. der Motor des Fahrzeugs aus ist. Der Verbraucherstatus zeigt an, daß der Verbraucher R_Li in diesem Moment eingeschaltet ist. Insbesondere ist der Verbraucher R_Li ein periodisch ein- und ausgeschalteter Verbraucher, der beispielsweise mit einer Frequenz von 1 bis 10 Hz ein- und ausgeschaltet wird. Es ist daher günstig, daß der Verbraucher R_Li eine Warnblinkanlage ist, wobei mit Vorteil die Warnblinkanlage durch ein schlüsselloses Zugangssystem betätigt wird.
Betätigt ein Autofahrer von der Ferne das Zugangssystem mit einer üblichen Fernbedienung, dann ist der Fahrzeugmotor noch ausgeschaltet. Es dauert also einige Sekunden bis der Motor gestartet wird und der Generator (Lichtmaschine) aktiv wird. Bis zu dieser Zeit, genauer gesagt bis der Anlasser betätigt wird, liegen U₀ und eine Spannung ΔU_Bat vor.
Ein Verlauf von U_Bat und I_Bat ist in 3 abgebildet. Wie den Verläufen zu entnehmen ist, ist ΔU_Bat bzw. ΔI_Bat zum Einschaltzeitpunkt (0,1 s) größer als zum Ausschaltzeitpunkt (0,4 s). Dies liegt daran, daß Lampen der Warnblinkanlage Kaltleiter sind und im kalten Zustand einen geringeren Widerstand aufweisen als im warmen Zustand. Bei diesem Verlauf ist der Fahrzeugmotor ausgeschaltet.
Der maßgebliche Widerstandswert des Verbrauchers R_Li bzw. der der Warnblinkanlage ist in einer Tabelle eines Speichers abgelegt. Beispielsweise werden Widerstandswerte in Abhängigkeit der Einschaltdauer ausgelesen. Es können z. B. vier unterschiedliche Widerstandswerte gespeichert sein, und zwar für die Zeitpunkte gemäß 2 0,1 s, 0,2 s, 0,3 s und 0,4 s. Der Widerstand bei 0,4 s ist höher als bei 0,1 s, wie der 2 zu entnehmen ist.
Auch kann alternativ oder zusätzlich der Widerstandswert des Verbrauchers R_Li bzw. der der Warnblinkanlage durch ein thermisches Model ermittelt und zur Berechnung des Innenwiderstandes R_i herangezogen werden. So kann das thermische Modell die aktuelle Leistung P_th des Verbrauchers einsetzen, und zwar über die vorhandene Spannung U_Bat, wobei die Leistung P_th aus P_th = U_Bat ²/R_Li ermittelt wird.
Es können nicht nur Widerstandswerte der Warnblinkanlage im Speicher abgelegt sein, sondern auch eines anders an das Bordnetz des Fahrzeugs angeschlossenen Verbrauchers, wie der einer Heizscheibe und/oder eines anderen ohmschen Verbrauchers. Es spricht auch nichts dagegen, daß zum Beispiel die Heizheckscheibe zum Zwecke der beschriebenen Messung intervallartig ein und ausgeschaltet wird.
Der Verbraucher R_Li z. B. die Warnblinkanlage, die Heizheckscheibe oder dergleichen ist an ein Bussystem, insbesondere ein CAN-Bus, über eine Schnittstelle angeschlossen und wird durch ein mit dem Bussystem verbundenen zentralen Steuerungsmodul gesteuert.
4 zeigt einen Strom- und Spannungsverlauf der Batterie, bei dem der Fahrzeugmotor mit einer Drehzahl von 2000 rpm (Umdrehungen pro Minute) läuft. Hierbei ist ein Stromripple vorhanden, d. h. Stromspitzen, die von einer Brückenschaltung in bekannter Weise herrühren. Dadurch ist ein Signal überlagert, das eine hohe Frequenz aufweist. Daher ist es zweckmäßig, daß eine Filterung, vorzugsweise eine digitale Filterung vorgenommen wird. Die Meßdauer einer Messung beträgt vorzugsweise 20 ms und wird durch kurze Linien in 4 angedeutet. Diese Zeit wird durch eine Meßeigenschaft des A/D-Wandlers bestimmt. Der Einsatz handelsüblicher A/D-Wandler, die wegen einer 50 Hz Störunterdrückung diese Meßzeit aufweisen, ist somit möglich.
Alternativ kann auch mit einer höheren Abtastfrequenz direkt das Stromripple abgestastet werden. Dann ergibt sich der Batterieinnenwiderstand direkt aus den gemessenen Spannungs- und Stromschwankungen zu: Ri = ΔUBat/ΔIBat.
Wie 2 veranschaulicht, kann auch ein ergänztes Ersatzschaltbild betrachtet werden, das Kapazitäten C_dl1 und C_dl2 sowie R_ct1 und R_ct2 berücksichtigt. Hierdurch wird deutlich, daß die Batterie eine Grenzfrequenz aufweist. Diese liegt beispielsweise bei etwa 100 Hz oder mehr. Dadurch ist es möglich, daß das beschriebene Meßverfahren eingesetzt wird, auch wenn Halogenbirnen eingesetzt werden. Diese können nämlich Einschaltspitzen verursachen, die für einen 5x höheren Einschaltstrom als im Nennbetrieb sorgen. Durch die Grenzfrequenz von 100 Hz ist eine Messung bei einer Intervallfrequenz der Warnblinkanlage von 1–10 Hz mühelos möglich.
Auch kann eine abrupte oder dauerhafte Stromänderung berücksichtigt werden, die durch ein Durchbrennen einer Lampe der Warnblinkanlage verursacht wird, um einen Meßfehler zu vermeiden.
Da die Werte der Batterie ebenfalls von der Temperatur abhängen, kann auch ein thermisches Modell für die Batterie beim Meßverfahren Einfluss finden. Entsprechende Parameter können in einer Tabelle (look-up-table) gespeichert sein.

Claims

Verfahren zur Überwachung des Gesundheitszustandes eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs, insbesondere einer Fahrzeugbatterie oder eines Superkondensators, über eine Bestimmung des Innenwiderstandes R_i des Energiespeichers dadurch gekennzeichnet, daß der Innenwiderstand über eine Spannungsveränderung der Spannung des Energiespeichers durch Zu- oder Abschalten eines an das Bordnetz des Fahrzeugs angeschlossenen Verbrauchers R_Li ermittelt wird, wobei – die Spannung des Energiespeichers U_o bei ausgeschaltetem Verbraucher R_Li und – die Spannung U_Bat des Energiespeichers bei eingeschaltetem Verbraucher gemessen und daraus ein Spannungsunterschied ΔU_Bat, – wobei der Innenwiderstand R_i durch die Formel Ri = ΔUBat/UBat × RLi ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucherstatus des Verbrauchers R_Li und der Generatorstatus erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher R_Li ein periodisch ein- und ausgeschalteter Verbraucher ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher R_Li mit einer Frequenz von 1 bis 10 Hz ein- und ausgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher R_Li eine Warnblinkanlage ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Warnblinkanlage durch ein schlüsselloses Zugangssystem betätigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher R_Li an ein Bussystem, insbesondere ein CAN-Bus, über eine Schnittstelle angeschlossen ist und durch ein mit dem Bussystem verbundenen zentralen Steuerungsmodul gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Tabelle in einem Speicher vorliegt, in der mehrere Widerstandswerte unterschiedlicher Verbraucher R_Li abgelegt sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der maßgebliche Widerstandswert des Verbrauchers R_Li durch ein thermisches Modell ermittelt wird und zur Berechnung des Innenwiderstandes R_i herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Modell die aktuelle Leistung P_th des Verbrauchers einsetzt, und zwar über die vorhandene Spannung U_o, wobei die Leistung P_th aus P_th = U_o ²/R_Li ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Messung der Spannung des Energiespeichers mit einer absoluten Meßgenauigkeit von etwa 1 bis 5 mV, insbesondere etwa 3 mV erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine digitale Messung der Spannung des Energiespeichers mit einer Auflösung von mindestens 12 bit, insbesondere 13 oder 14 bit, bei einem Meßbereich von 16 bis 26 Volt, insbesondere etwa 20 Volt erfolgt.