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QUERVERWEIS
AUF EINE VERWANDTE ANMELDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft und umfaßt, durch Bezugnahme, die japanische
Patentanmeldung Nr. 2006-49038, die am 24. Februar 2006 angemeldet
wurde.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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(Gebiet der Erfindung)
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zum Berechnen einer Größe, die
den Ladezustand (auch als "interner
Ladezustand" oder "Innenzustand") einer Sekundärbatterie
(wiederaufladbar) anzeigt, die in einem Fahrzeug montiert ist, und
betrifft speziell ein Gerät
zum Berechnen des Ladezustandes unter Verwendung von wenigstens
einer Vielzahl an Paaren von einer Spannung und einem Strom, die von
der Fahrzeugbatterie her gewonnen werden.
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(Beschreibung
des Standes der Technik)
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Im
Allgemeinen ist es erforderlich, dass die Kapazität und die
Sicherheit eines Fahrzeug-Batteriesystems strikt gemanagt wird.
Um solch in Management durchzuführen,
sollte der Ladezustand eines Fahrzeug-Batteriesystems mit Präzision abgeschätzt werden.
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Es
wurden mehrere Geräte
zur Realisierung von Techniken zum Abschätzen bereits vorgeschlagen.
Solche Techniken verwenden beispielsweise eine Pseudo-Offen kreis-Spannung,
den Innenwiderstand, den Ladezustand und/oder die verbleibende Kapazität. Um beispielsweise
den Innenwiderstand zu detektieren, ist die offengelegte japanische
Patentveröffentlichung
Nr. 2002-343444 und 2005-146939 bekannt, bei denen eine Regressionslinie
hinsichtlich einer Strom/Spannungs-Charakteristik eines Batteriesystems
erhalten wird, um das Ausmaß von
deren Neigung oder Steigung als Innenwiderstand des Batteriesystems
zu berechnen. Eine andere Technik ergibt sich aus der offengelegten
japanischen Patentveröffentlichung
Nr. 2002-168929. Gemäß dieser
Veröffentlichung
werden Paare aus Spannung/Strom einer Fahrzeugbatterie während einer
Zeitperiode gesampelt, während
welcher der durch einen Anlasser verbrauchte Strom von Null auf einen
Spitzenwert so hoch wie einige 1000 A im Ansprechen auf das Starten
des Anlassers ansteigt und wobei dann die gewonnenen Paare aus Spannung/Strom
dazu verwendet werden, den Innenwiderstand der Batterie zur Steuerung
des Batteriezustandes zu berechnen.
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Während der
Zeitperiode, während
welcher der von dem Anlasser verbrauchte Strom im Ansprechen auf
das Starten ansteigt (im Folgenden wird diese Periode als "Anlasserstrom-Zunahmeperiode" gemäß 13 bezeichnet) können starke Änderungen in
dem Strom, die für
die Berechnung des Innenwiderstandes erforderlich sind, mit Präzision in
einer kurzen Zeitperiode gewonnen werden. Es kann nämlich in
dieser Zeitperiode der Einfluss der Änderungen in der Polarisation
der Batterie bei der Berechnung vernachlässigt werden, so dass erwartet
werden kann, dass der Innenwiderstand mit Präzision detektiert wird und
zwar bei einem sehr kleinen Fehler aufgrund von Polarisationsänderungen.
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Jedoch
ist die vorangegangen erläuterte
Anlasser-Stromerhöhungsperiode
sehr kurz (beispielsweise liegt diese bei 2–5 msek). Dies bedeutet, dass eine
Signalverarbeitungsschaltung, die eine große Anzahl von Paaren aus Spannung/Strom
in solch einer kurzen Zeit erwerben sollte eine hohe Signalverarbeitungsperformance
aufweisen muss. Spezifischer gesagt enthält diese Signalverarbeitungsschaltung
einen Stromsensor und einen A/D-Wandler zur Digitalisierung des
gewonnenen Stromes und der gewonnenen Spannung, so dass diese Schaltungskomponenten
eine hohe Samplingrate benötigen.
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Das
Erreichen solch einer hohen Signalverarbeitungsperformance führt zu einem
Anstieg der Teilkosten der Signalverarbeitungsschaltung.
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Zusätzlich fließt ein Strom
mit hoher Amplitude, der momentan einen Wert bis zu 1000 A erreicht, durch
den Anlasser und zwar in der Anlasser-Stromanwachsperiode. Der Stromsensor
sollte daher einen sehr großen
dynamischen Bereich aufweisen, der ebenfalls zu einem Faktor hinsichtlich
des Anstiegs der Teilekosten darstellt.
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Andererseits
ist es nicht zu vermeiden, dass der schnell arbeitende Stromsensor
und der Analog/Digital-Signalprozessor stark durch hochfrequente
Komponenten von HCF-Störsignalen
und thermisches Rauschen beeinflusst werden, wodurch der Signal-Rauschabstand (S/N
= Signal-zu-Störsignal-Verhältnis) abgesenkt
wird.
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Auf
diese Weise involviert das Erzeugen der gepaarten Spannungs-/Strom-Daten,
in der Anlasser-Stromerhöhungsperiode
ein hohes S/N, eine schnelle Samplingperformance und einen weiten
dynamischen Bereich in Bezug auf den Sensor und in Bezug auf die
Signalverarbeitungsschaltung. Dies ist jedoch nicht praktikabel,
da die Schaltung mit einer hohen Betriebsperformance belastet wird.
Mit anderen Worten ist das Sampling der Spannungs- und Strom-Daten
während
der Anlasser-Stromerhöhungsperiode
nicht praktisch.
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Um
diese Schwierigkeit zu beseitigen ist es möglich die Spannungs- und Strom-Daten während einer
Ankurbelungsperiode zu sampeln (oder in der Ankurbelungszeit; siehe
hierzu 13) gefolgt von der
Anlasser-Stromerhöhungsperiode
in einer Maschinenstartperiode (siehe 13).
Bei der Ankurbelungsperiode startet die Maschine, um ein Drehmoment
zu erzeugen, während
der Anlasserstrom allmählich
abnimmt. Wenn man somit die Ankurbelungsperiode verwendet, wird
die Belastung hinsichtlich des Sensors und der Schaltung geringer.
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Da
jedoch die Ankurbelungsperiode länger dauert
als die Anlasser-Stromerhöhungsperiode, kann
die Tatsache, dass die Änderungen
in dem Polarisationszustand der Batterie während der Berechnung eines
Ladezustandes auftreten, nicht mehr vernachlässigt werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die oben erläuterten
Probleme entwickelt und es ist Aufgabe der Erfindung ein Gerät zum Berechnen einer
Größe zu schaffen,
welches einen Ladezustand (internen Ladezustand oder Innenzustand)
einer Sekundärbatterie
in einer präzisen
und zuverlässigen Weise
anzeigt und zwar durch Verwendung von Schaltungskomponenten, deren
Betriebsgeschwindigkeiten und Präzisionsgrade
nicht exzessiv erhöht werden
müssen.
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Um
die zuvor genannte Aufgabe zu lösen, schafft
die vorliegende Erfindung als Grundkonstruktion ein Gerät zum Berechnen
einer Größe, welche einen
Ladezustand (auch als "interner
Ladezustand" oder
als "Innenzustand" bezeichnet) einer
Batterie anzeigt, die in einem Fahrzeug montiert ist, wobei die Batterie
einen Anlasser zum Starten einer Maschine mit Energie versorgt,
die in dem Fahrzeug montiert ist. Das Gerät umfasst eine Daten-Beschaffungseinheit,
die so konfiguriert ist, um eine Vielzahl von Paaren an Daten zu
sammeln, die aus einem Strom und einer Spannung der Batterie zu
vorbestimmten Samplingintervallen während einer Ankurbelungsperiode
der Maschine im Ansprechen auf das Starten des Anlassers bestehen;
mit einer ersten Berechnungseinheit, die dafür konfiguriert ist, um als
die Größe in Intervallen
einen Wert eines Innenwiderstandes der Batterie basierend auf der
Vielzahl der Paare der Daten aus Strom und Spannung zu berechnen;
einer zweiten Berechnungseinheit, die dafür konfiguriert ist, um eine
Offenspannungs-Differenz zu berechnen, die aus einer Differenz zwischen einer
Pseudo-Offenkreis-Spannung der Batterie, die vor dem Starten des
Anlassers gegeben ist, und einer Pseudo-Offenkreis-Spannung der
Batterie besteht, die nach der Ankurbelungsperiode auftritt; und mit
einer Korrektureinheit, die dafür
konfiguriert ist, um den Wert des Innenwiderstandes unter Verwendung
der Offenspannungs-Differenz zu korrigieren, wobei der korrigierte
Wert des Innenwiderstandes den Ladezustand der Batterie anzeigen
kann. Die Pseudo-Offenkreis-Spannung besteht aus einer Batterie spannung,
die bei einem Zustand erhalten wird, bei dem der Lade- und Entlade-Strom
der Batterie als Null betrachtet werden kann.
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Es
ist zu bevorzugen, dass die Korrektureinheit eine Einrichtung enthält, um die
Offen-Spannungsdifferenz in eine bzw. durch eine Korrekturfunktion
zu substituieren und zwar mit einer positiven Korrelation in Bezug
auf die Offenspannungsdifferenz, und eine Einrichtung enthält, um den
Wert des Innenwiderstandes basierend auf dem Wert der Korrekturfunktion,
der durch die Substitution erhalten wird, zu korrigieren. Um ein
Beispiel anzuführen,
so umfasst die erste Berechnungseinheit eine Einrichtung, um eine
Regressionslinie basierend auf der Vielzahl der Paare der gesampelten
Daten aus Strom und Spannung zu erhalten, wobei die Regressionslinie
eine Beziehung zwischen der Spannung und dem Strom der Batterie
definiert, und mit einer Einrichtung zum Berechnen des Gradienten
der erhaltenen Regressionslinie als Wert des Innenwiderstandes.
Beispielsweise ist die Korrektureinheit so konfiguriert, um den Wert
des Innenwiderstandes zu korrigieren und zwar durch Addieren des
Wertes der Korrekturfunktion zu dem Wert des Innenwiderstandes.
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In
Bezug auf den korrigierten Wert des Innenwiderstandes wird der Einfluss
der Änderungen in
dem Polarisationszustand der Batterie verringert. Das heißt dank
der oben erläuterten
Grundkonstruktion wird der Fehler beim Einschätzen des Innenwiderstandes,
der einen Beitrag zu den Änderungen
in den Polarisationszuständen
der Batterie liefert, effektiv verringert werden, so dass die Schätzung des
Innenwiderstandes sehr viel genauer wird.
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Es
ist somit ausreichend Paare aus Spannungs- und Strom-Daten während der
Ankurbelungsperiode zu sampeln und zwar unmittelbar nach der Anlasser-Stromanstiegsperiode
in der Maschienenstartperiode (siehe hierzu 13). Es
ist nicht erforderlich die Daten währen der Anlasser-Stromanstiegsperiode
zu sampeln. Da die Ankurbelungsperiode für den Samplevorgang verwendet
wird, wird es möglich,
eine Datenerwerbsvorrichtung zu verwenden und zwar mit einem relativ
schmaleren dynamischen Bereich und einer relativ niedrigeren Samplingrate.
Bei der vorliegenden Erfindung kann selbst solch eine Datenerwerbsvorrichtung
dazu verwendet werden, um den Innenwiderstand mit Präzision zu berechnen
(zu schätzen
oder zu detektieren), so dass dadurch die Teilekosten der Datenerwerbsvorrichtung
reduziert werden, das heißt
damit auch von dem Gerät
zum Berechnen der Ladezustandsgröße nach
der vorliegenden Erfindung.
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Es
ist zu bevorzugen, dass die Korrektureinheit eine Einrichtung enthält, um die
Offenspannungs-Differenz mit einer Korrekturfunktion zu substituieren,
die eine positive Korrelation zu der Offenspannungs-Differenz besitzt,
und eine Einrichtung enthält,
um den Wert des Innenwiderstandes basierend auf dem Wert der Korrekturfunktion,
die durch die Substitution erhalten wurde, zu korrigieren.
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Ein
Studium der Erfinder hat gezeigt, dass die Offenspannungs-Differenz
(ΔVo) sehr
gut in einer positiven Korrelation auf die Beträge der Änderung in den Innenwiderstand
(Rd) bezogen werden kann, die durch eine Pseudo-Offenkreis-Spannung
der Batterie verursacht werden, die vor dem Starten des Anlassers
auftritt, und anhand einer weiteren Pseudo-Offenkreis-Spannung der
Batterie, die nach der Ankurbelungsperiode auftritt. Es kann somit
die Korrekturfunktion (f(ΔVo)),
welche sowohl die Offenspannungs-Differenz (ΔVo) und den Innenwiderstand Rd
anzeigt, im Voraus abgespeichert werden. Indem man den Wert einer
Offenspannungs-Differenz (ΔVo),
der berechnet werden soll, bei dieser Korrekturfunktion (f(ΔVo)) anwendet,
wird die Möglichkeit erhalten,
dass ein geänderter
Wert (ΔRd)
des Innenwiderstandes (Rd) korrigiert werden kann. Dies führt zu einer
relativ einfachen Berechnung, während
es gleichzeitig möglich
wird Fehler hinsichtlich des Innenwiderstandes (Rd) zu reduzieren.
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Eine
Meinung oder Einschätzung
eines Erfinders besteht darin, dass die Offenspannungs-Differenz
(ΔVo) eine
höhere
Korrelation zu Änderungen in
den Polarisationsbeträgen
oder Ausmaßen
der Batterie hat, die sich aufgrund einer Entladung einstellen und
zwar während
der Maschinenstartperiode, und dass der Innenwiderstand (Rd) eine
Korrelation zu den Änderungen
in den Polarisationsbeträgen oder
Ausmaßen
der Batterie hat. Fehler, die einen Beitrag zu den Polarisationsbeträgen oder
Polarisati onsausmaßen
der Batterie liefern, die in Werten des Innenwiderstandes (Rd) induziert
werden, können daher
durch die Korrektur an der Korrekturfunktion (f(ΔVo)) reduziert werden. Es kann
daher der zuvor erläuterte
Vorteil erreicht werden.
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KURZE
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild, welches die Konfiguration eines Fahrzeug-Energieversorgungssystems
darstellt, welches funktionsmäßig ein
Ladezustandsgrößen-Berechnungsgerät für eine Fahrzeugbatterie
enthält
und zwar gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ein
Flussdiagramm, welches die Verarbeitung für die Berechnung (das heißt das Detektieren)
eines Innenwiderstandes der Batterie bei der ersten Ausführungsform
veranschaulicht;
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3 einen
Graphen, der als Beispiel eine Strom/Spannungs-Charakteristik oder
Kennlinie wiedergibt, die beim Entladen eines großen Betrages des
Stromes erhalten wird (das heißt
während
einer Ankurbelungsperiode);
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4 einen
Graphen, der als Beispiel Änderungen
in der Strom/Spannungs-Charakteristik der Batterie darstellt, und
zwar die beobachtet werden, wenn ein Anlasser für eine Maschine gestartet wird;
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5 einen
Graphen, der erläutert,
auf welche Weise der Wert eines Innenwiderstandes gemäß einer
Offenspannungs-Differenz zu korrigieren ist;
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6 einen
Balken-Graphen, der als Beispiel Experimentergebnisse von Fehlern
beim Einschätzen
des Innenwiderstandes wiedergibt;
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7 einen
Graphen, der erläutert
auf welche Weise eine untere Grenzwertspannung beim Starten des
Anlassers abgeschätzt
wird, wobei der Abschätzvorgang
bei einer zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung durchgeführt
wird;
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8 eine
Balkengraphik, die beispielhaft Experimentergebnisse von Fehlern
wiedergibt und zwar beim Schätzen
der unteren Grenzwertspannung und zwar in zwei Fällen, bei denen die Korrektur basierend
auf der Offenspannungs-Differenz
durchgeführt
wird, und nicht durchgeführt
wird;
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9 ein
Flussdiagramm, welches die Verarbeitung wiedergibt, die zusätzlich die
Korrektur des Innenwiderstandes enthält und zwar basierend auf einem
Ladezustand (SOC), die bei einer dritten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung durchgeführt
wird;
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10 eine
charakteristischen Graphen, der als Beispiel eine Beziehung zwischen
einer Lade-Rate und dem Innenwiderstand wiedergibt;
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11 eine
Balkengraphik, die beispielhaft Experimentergebnisse von Fehlern
beim Abschätzen der
unteren Grenzwertspannung in zwei Fällen veranschaulicht, bei denen
die Korrektur auf der Lade-Rate durchgeführt wird und nicht durchgeführt wird;
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12 eine
beispielhafte Zeitsteuerung beim Erwerb von Spannungs-/Strom-Daten
(Sampling) und bei der Berechnung der Größen, welche den Ladezustand
der Batterie anzeigen; und
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13 einen
Graphen als Beispiel, der eine zeitweilige Beziehung zwischen der
Maschinenstartperiode, einer Anlasser-Stromanstiegsperiode und einer
Ankurbelungsperiode darstellt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im
Folgenden werden verschiedene bevorzugte Ausführungsformen eines Berechnungsgerätes für die Ladezustandsgröße für eine Sekundärbatterie
gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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(Erste Ausführungsform)
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Unter
Hinweis auf die 1 bis 6 wird eine
erste Ausführungsform
des Berechnungsgerätes
für die
Ladezustandsgröße gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Berechnungsgerät in eine praktische
Form reduziert, indem dieses funktionsmäßig in einen Fahrzeug-Energieversorgungssystem 1 inkorporiert
ist.
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1 zeigt
ein Blockschaltbild, welches die Konfiguration des Fahrzeug-Energieversorgungssystems 1 wiedergibt.
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Das
Fahrzeug-Energieversorgungssystem 1, welches in 1 gezeigt
ist, enthält
eine Batterie 11, die aus einer Stromspeichervorrichtung
besteht, um elektrische Energie darin zu speichern, aus einem Fahrzeuggenerator 12 besteht,
der durch eine Fahrzeugmaschine angetrieben wird (nicht gezeigt), elektrischen
Fahrzeuglasten 13, einem Stromsensor 14 und einem
Batteriezustand-Prozessor 15. Von diesen Komponenten bildet
die Batterie 11 ein Ziel in Verbindung mit dem internen
Zustand derselben, das heißt
in Verbindung mit dem Ladezustand, der detektiert wird. Diese Batterie 11 besteht
aus einer Bleibatterie, einer Nickel-Metall-Hydrid-Batterie, einer
Lithiumbatterie oder anderen Batterien. Die elektrischen Fahrzeuglasten 13 umfassen
einen Anlasser zum Starten der Maschine.
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Der
Stromsensor 14 besitzt eine Fähigkeit Lade- und Entlade-Ströme zu detektieren
und zwar in Form eines elektrischen Signals mit einem analogen Format,
welches diese Ströme
anzeigt, und um das Detektionssignal zu dem Batteriezustand-Prozessor 15 auszugeben,
und zwar über
eine Leitung, welche den Stromsensor 14 und den Prozessor 15 verbindet. Zusätzlich ist
eine Ausgangsklemme der Batterie 101 mit dem Batteriezustand-Prozessor 15 verbunden, so
dass eine Klemmenspannung der Batterie 11 zu dem Prozessor 15 in
Form eines elektrischen Signals mit analogem Format zugeführt wird.
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Der
Batteriezustand-Prozessor 15 dient als ein Berechnungsgerät für eine Ladezustandsgröße gemäß der vorliegenden
Erfindung. Der Batteriezustand-Prozessor 15 umfasst einen
A/D-Umsetzer 16, einen Pufferabschnitt 17 und
eine Berechnungseinheit 18. Der A/D-Umsetzer 16 führt einen
Samplingvorgang durch und auch eine Analog/Digital-Umwandlung in
Verbindung mit den eingespeisten Spannungs- und Strom-Signalen in der analogen
Form mit einer vorbestimmten Samplingfrequenz durch, und erzeugt
Spannungs- und Strom-Daten in digitaler Form.
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Der
Pufferabschnitt 16 wird dazu verwendet, um als eine Gruppe
aus Paaren von digitalen Daten sowohl den Strom Ib, der von dem
Stromsensor 15 kommt, als auch die Klemmenspannung Vb an
der Batterie 11 zu speichern.
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Die
Berechnungseinheit 18 ist beispielsweise aus einem Computersystem
gebildet, welches, obwohl dies nicht gezeigt ist, eine CPU (zentrale
Verarbeitungseinheit) und Speichereinrichtungen enthält, um ein
vorbestimmtes eines Programm von mehreren Computerprogrammen für die CPU
zu speichern und um zeitweilige Daten zu speichern, die für die Berechnung
erforderlich sind. Die Computerprogramme umfassen ein Programm zum
Verarbeiten von Paaren der gesampelten Spannungs-/Strom-Daten, die
in dem Pufferabschnitt 17 gespeichert sind und zwar in
einer solchen Weise, dass vielfältige
Größen, die
den Ladezustand der Batterie 11 anzeigen, durch die CPU
berechnet werden, das heißt
durch die Berechnungseinheit 18 berechnet werden. Der Batteriezustand-Prozessor 15 ist
dafür ausgebildet,
um ein elektrisches Signal in digitaler Form auszugeben, welches
solche Ladezustandsgrößen anzeigt.
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Wie
in 1 gezeigt ist, enthält das Fahrzeug-Energieversorgungssystem 1 ferner
eine ECU (elektronische Steuereinheit) 19 und einen Generierungs-Controller 20.
Die ECU 19 ist so konfiguriert, um nicht nur das Signal
von dem Batteriezustand-Prozessor 15 zu empfangen, sondern
auch Fahrzeuginformationen VEinf, welche die Maschinenzustände, Fahrzeuggeschwindigkeit,
Drehzahl des Generators 12 enthalten. Unter Verwendung
solcher Elemente der eingespeisten Informationen, wird die ECU 19 dazu
befähigt
Befehle an den Generierungs-Controller 20 zu liefern, um
eine Generierung und einen Generierungs-Stopp zu erreichen, um den Betrag
der Energie zu regulieren, der durch den Generator 12 erzeugt
wird, und zwar auf einen vorbestimmten Sollwert hin.
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Es
wird nun im Folgenden unter Hinweis auf 2 der Betrieb
zum Detektieren eines Innenwiderstandes der Batterie 11,
der durch den Batteriezustand-Prozessor 15 wiederholt ausgeführt wird,
beschrieben.
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Der
Messvorgang des Stromes Ib und von Vb der Batterie 11 wird
gestartet (Schritt S201) und es wird bestimmt, ob eine Entladung
eines großen Betrages
des Stromes stattgefunden hat oder nicht (das heißt beim
Starten des Anlassers für
die Fahrzeugmaschine) (Schritt S202). Das heißt es wird eine Bestimmung
in solcher Weise durchgeführt,
dass der Entlade-Strom Ib sich auf einen vorbestimmten maximalen
Stromwert Imax (siehe 3) herabreduziert hat. Wenn
eine Beziehung gemäß Ib kleiner ≤ Imax erfüllt wird,
wird erkannt, dass eine Ankurbelungsperiode (siehe 13)
gestartet worden ist. Im Ansprechen auf diesen Bestimmungsvorgang
wird der Erwerb von paarweisen Daten aus dem Strom Ib und der Spannung
Vb wiederholt zu vorbestimmten Samplingintervallen (siehe hierzu 12)
ebenfalls gestartet und es wird der Datenerwerb so lange fortgesetzt,
bis ein Zeitpunkt erreicht wird, bei welchem der Strom Ib sich zu
einem vorbestimmten minimalen Stromwert Imin umgekehrt hat bzw.
auf diesen zurückgekehrt
ist (siehe hierzu 3: Schritt S203). Mit anderen
Worten wird der Datenerwerb während
der Ankurbelungsperiode fortgesetzt, um in dem Pufferabschnitt 17 gepaarte
Daten aus Strom Ib und Spannung Vb zu speichern, die an N-Punkten erworben wurden.
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In
dem Prozessor 15 verwendet die Berechnungseinheit 18 zu
einer Berechnungs-Zeitlage
(siehe 12) die gespeicherten paarweisen
Daten aus dem Strom Ib und der Spannung Vb, um diese zweidimensional
aufzuzeichnen, wie in 3 gezeigt ist, und es wird dabei
eine Regressionslinie (V = Rd·I
+ Voaf) berechnet (Schritt S204), in welcher Rd einen Innenwiderstand
der Batterie 11 angibt und Voaf eine Pseudo-Offenkreis-Spannung
darstellt. Es wird dann eine Offenspannungs-Differenz ΔVo berechnet,
die für
die Korrektur des Innenwiderstandes verwendet wird (Schritt S205).
Diese Offenspannungs-Differenz ΔVo
repräsentiert
eine Differenz zwischen den Pseudo-Offenkreis-Spannungen Voaf, die
vor dem Starten des Anlassers erhalten wird (das heißt vor dem
Entladevorgang einer großen
Strommenge) und die nach der Ankurbelungsperiode erhalten wird (das heißt nach
dem Entladevorgang).
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Dann
wird die berechnete Offenspannungs-Differenz ΔVo in eine an früherer Stelle
abgespeicherte Korrekturfunktion f(ΔVo) substituiert, um einen Wert
derselben zu erhalten (Schritt S206). Auch wird die erhaltene Korrekturfunktion
f(ΔVo) zu dem
Innenwiderstand Rd zum Zwecke der Korrektur hinzuaddiert, so dass
ein korrigierter Innenwiderstand Rc berechnet wird (Schritt S207).
Wie noch an späterer
Stelle beschrieben werden soll, besitzt der Innenwiderstand Rd eine
hohe positive Korrelation zu der Offenspannungs-Differenz ΔVo.
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Die
Korrekturfunktion f(ΔVo)
kann definiert werden als "K1·ΔVo – K2", worin K1 und K2
vorbestimmte Konstanten sind, die jeweils einen positiven Wert aufweisen
und wobei ΔVo
die Offenspannungs-Differenz bezeichnet. Diese Definition ist einfach,
sie ist jedoch dafür
bestimmt, um eine hohe Genauigkeit bei der Berechnung des Innenwiderstandes Rd
zu garantieren. In bevorzugter Weise wurden K1 mit 1,5 und K2 mit
0,4 verwendet.
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Der
vorhergehende Schritt S204 zum Berechnen des Innenwiderstandes Rd
und die Pseudo-Offenkreis-Spannung Voaf, ferner der Schritt S205
zum Berechnen der Offenspannungs-Differenz ΔVo und auch der Schritt S206
zum Korrigieren des Innenwiderstandes Rd werden nun im Folgenden mehr
in Einzelheiten beschrieben.
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12 zeigt
ein Beispiel der Zeitsteuerung der Daten (des Stromes und der Spannung)
bzw. dem Erwerb derselben und hinsichtlich der oben beschriebenen
Berechnung. Die Muster A und B zeigen einige Muster für den Datenerwerb
und die Berechnungs-Zeitsteuerung
oder Berechnungs-Zeitlagen, jedoch bilden diese Muster A und B lediglich
Beispiele. Es sind auch andere Muster A und B ebenso verfügbar.
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(Berechnung des Innenwiderstandes
Rd und der Pseudo-Offenkreis-Spannungen Voaf)
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3 zeigt
als Beispiel eine Strom-/Spannungs-Charakteristik, die erhalten
wird, wenn eine große
Strommenge während
der Ankurbelungsperiode entladen wird. Eine Regressionslinie wird
an einer Gruppe von Paaren aus Strom und Spannung während eines
vorbestimmten Strombereiches "Imax
zu Imin" geschätzt. Die
Regressionslinie liefert einen Gradienten (das heißt einen
Winkel), der einen Innenwiderstand Rd bildet, und eine Kreuzungsstelle, die
eine Achse bei dem Strom von "0" kreuzt, welches
eine Pseudo-Offenkreis-Spannung Voaf ist. Somit können solche
Werte wie Rd und die Spannung berechnet werden
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Der
Strombereich "Imax
zu Imin" wird durch einen
oberen Grenzwert Imax und einen unteren Grenzwert Imin definiert,
deren Werte basierend auf einem dynamischen Bereich des Stromsensors 14, der
zu montieren ist, festgelegt werden. Um hier ein Beispiel zu nennen,
wird der Strombereich in einem Bereich von –500 A bis –100 A eingestellt.
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(Berechnung der Offenspannungs-Differenz ΔVo)
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4 erläutert auf
welche Weise die Offenspannungs-Differenz ΔVo berechnet werden muss. Diese
Offenspannungs-Differenz ΔVo
wird ausgedrückt
als "Vobe – Voaf", worin Vobe eine
Pseudo-Offenkreis-Spannung angibt, die vor dem Starten des Anlassers
erhalten wird, und worin Voaf eine Pseudo-Offenkreis-Spannung angibt,
die nach dem Ankurbelungsvorgang erhalten wird.
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Unter
Verwendung des Innenwiderstandes Rd, der bereits erhalten wurde,
und unter Verwendung des Stromes Ibe und der Spannung Vbe, die vor
dem Starten des Anlassers erhalten wurden, kann eine Spannung in
der folgenden Weise berechnet werden: Vobe = Vbe – Rd·Ibe (1),welches
Pseudo-Offenkreis-Spannung Vobe ist, die vor dem Starten des Anlassers
abgeleitet werden muss.
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In ähnlicher
Weise wie dies zuvor dargelegt wurde, wird unter Verwendung des
Innenwiderstandes Rd, der bereits erhalten wurde, und des Stromes Iaf
und der Spannung Vaf, die nach dem Ankurbelungsvorgang erhalten
werden, eine Spannung in der folgenden Weise berechnet: Voaf = Vaf – Rd·Iaf (2),welches
Pseudo-Offenkreis-Spannung Voaf ist, die nach dem Ankurbelungsvorgang
abgeleitet werden muss.
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Es
wird dann eine Offenspannungs-Differenz ΔVo mit Hilfe der folgenden Formel
berechnet: ΔVo = Vbe – Vaf (3).
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(Korrektur des Innenwiderstandes
Rd)
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5 erläutert auf
welche Weise der Innenwiderstand Rd basierend auf der berechneten
Offenspannungs-Differenz ΔVo
korrigiert wird.
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Nebenbei
bemerkt besteht ein Innenwiderstandswert der Batterie 11,
der ursprünglich
gewünscht
wird, aus einem Wert des Innenwiderstandes Rin, der wiedergegeben
wird, wenn der Anlasser gestartet wird. Wie jedoch bereits dargelegt
wurde, ist das Montieren eines Stromsensors mit einem dynamischen
Bereich, der für
den Strom ausreichend ist, der dann fließt, wenn der Anlasser gestartet
wird, mit Schwierigkeiten hinsichtlich der Präzision und der Teilekosten
behaftet.
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Es
ist demzufolge zur Überwindung
dieser Schwierigkeiten ein Ziel exakt den Innenwiderstand Rin über einen
mehr praktischen Strombereich (beispielsweise Entlade-Ströme von –500 bis
0 A) zu schätzen.
Die hierbei tätig
gewesenen Erfinder haben Experimente durchgeführt, um eine Beziehung zwischen
einem geschätzten
Fehler (= Rin – Rd)
des gemessenen Innenwiderstandes Rin und einer Offenspannungs-Differenz ΔVo zu überprüfen. Die
Experimente haben gezeigt, dass eine hohe Korrelation zwischen dem
geschätzten
Fehler (= Rin – Rd)
und der Offenspannungs-Differenz ΔVo
existiert, was in 5 veranschaulicht ist.
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Somit
liefert die hohe Korrelation ein Verständnis dafür, das der Innenwiderstand
Rd basierend auf der Offenspannungs-Differenz ΔVo korrigiert werden kann, was
zu einer präzisen
Einschätzung des
Innenwiderstandes Rin führt.
Anhand eines Beispiels besteht eine Formel zum Korrigieren des Wertes
des Innenwiderstandes Rd, die anhand der Experimente abgeleitet
wurde, aus der folgenden Formel: Rc = –1,5
(0,26 – ΔVo) + Rd (4).
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Auf
diese Weise führt
die Korrektur des Innenwiderstandes Rd abhängig von der Offenspannungs-Differenz ΔVo alternativ
zu einem Wert des Innenwiderstandes Rin, der erhalten wird, wenn
der Anlasser gestartet wird. Somit ist die Korrektur an der Offenspannungs-Differenz ΔVo effektiv.
Dies geht auch klar aus der 6 hervor,
in wel cher die Messdaten enthalten sind und zwar der Messdaten von Fehlern
beim Schätzen
des Innenwiderstandes Rin. Mit Hilfe von Experimenten, die durch
die Erfinder durchgeführt
wurden, wurde eine Differenz (Fehler) zwischen jedem der Werte des
Innenwiderstandes Rin, die erhalten wurden, wenn ein Anlasser gestartet wurde
(die Anzahl der Versuche lag bei 26 mal) und einem Innenwiderstand
Rd, der mit der Korrektur bei jedem Versuch berechnet wurde, für die Schätzung beobachtet
werden.
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Wie
in 6 gezeigt ist, lag das Maximum des Fehlers, der
ohne die Korrektur an der Offenspannungs-Differenz ΔVo erhalten
wurde, bei 0,38 mΩ.
Im Gegensatz dazu kann ersehen werden, dass die Korrektur des berechneten
Innenwiderstandes Rd an der Offenspannungs-Differenz ΔVo den maximalen
Fehler bis herab auf 0,17 mΩ reduzieren
konnte. Die Ausdrücke
einer Mittelwertszahl von Fehlern, einer Reduktion von 0,22 mΩ bis 0,06
mΩ wurde
realisiert, was demonstriert, dass der Innenwiderstand Rin, der
beim Starten des Anlassers geboten wurde, alternativ mit hoher Präzision geschätzt werden kann.
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(Zweite Ausführungsform)
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Es
wird eine zweite Ausführungsform
des Berechnungsgerätes
für die
Ladezustandsgröße gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Hinweis auf die 7 und 8 nun
beschrieben. Auf die gleiche Weise wie bei der ersten Ausführungsform
ist das Berechnungsgerät
in der Praxis so reduziert, dass es funktionell in ein Fahrzeug-Energieversorgungssystem 1 inkorporiert
ist, was auch genau so bei der Konfiguration der Fall ist, die in 1 gezeigt ist.
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Das
Fahrzeug-Energieversorgungssystem 1 gemäß der zweiten Ausführungsform
ist für
die Verwendung des Innenwiderstandes Rc auf der Grundlage der Formel
(4) charakteristisch, um eine untere Grenzwertspannung beim Starten
der Maschine zu schätzen
(das heißt
des Anlassers). Diese Schätzung
ist in Situationen wie beispielsweise beim Leerlauf-Stopp-Fahren,
bei dem ein häufiger
Maschinenstart erforderlich ist, wichtig (die Maschine wird gestoppt
und zwar beim Leerlaufen und dann wieder ge startet) um sicherzustellen,
dass die Batterie 11 eine ausreichende Wiederstart-Qualität beibehält.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform
wird beispielhaft eine Schätzung
der unteren Grenzwertspannung bei dem nächsten Starten der Maschine anhand
des berechneten Innenwiderstandes Rc vorgenommen. Diese Schätzung wird
durch CPU des Batteriezustand-Prozessors 15 durchgeführt.
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Es
wird nun unter Hinweis auf 7 beschrieben,
auf welche Weise die Schätzung
der unteren Grenzwertspannung erfolgt. Unter Verwendung eines Wertes
des Innenwiderstandswertes Rc, der bei der letzten Berechnungs-Zeitlage
erhalten wurde, und unter Verwendung der Werte des Stromes Ib und der
Spannung Vb, die vor dem Starten der Maschine erhalten wurden, kann
ein Schätzwert
Vmin hinsichtlich der unteren Grenzwertspannung vorgegeben werden.
Praktisch kann die folgende Formel (5) den geschätzten Wert Vmin der unteren
Grenzwertspannung liefern: Vmin = Vb + Rc·ΔIb (5),worin ΔIb eine Änderung
von dem Strom Ib angibt, der vor dem Starten der Maschine erhalten
wird, und auf einen Wert eingestellt wird basierend auf dem Entlade-Strom
beim Startvorgang.
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8 zeigt
beispielhaft die Schätzergebnisse
der unteren Grenzwertspannung. Um dieses Beispiel zu erzielen wurden
Experimente durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung durchgeführt, um
einen Fehler zwischen jedem der Werte der unteren Grenzwertspannung
zu schätzen,
die tatsächlich
erhalten wurde, wenn ein Anlasser gestartet wurde (die Zahl der
Versuche lag bei 10-mal), und einem Schätzwert der unteren Grenzwertspannung
bei jedem Versuch. Wenn man dies mit einem Fall vergleicht, bei
dem keine Korrektur des Innenwiderstandes an der Offenspannungs-Differenz ΔVo durchgeführt wird,
wird ein Maximum der Fehler beim Schätzen der unteren Grenzwertspannung
von 0,24 V auf 0,12 V herabreduziert. In Ausdrücken eines Mittelwertes der
Fehler wurde somit eine Reduzierung von 0,13 V auf 0,03 V realisiert.
Dies demonstriert, dass die untere Grenzwertspannung mit sehr hoher
Präzision
geschätzt
werden kann und zwar über
die Korrektur des Innenwiderstandes, die in Verbindung mit der ersten
Ausführungsform
beschrieben wurde.
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(Dritte Ausführungsform)
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Es
wird nun unter Hinweis auf die 9–11 eine
dritte Ausführungsform
des Berechnungsgerätes
für eine
Ladezustandsgröße gemäß der vorliegenden
Erfindung im Folgenden beschrieben. Auf die gleiche Weise wie bei
den vorangegangenen Ausführungsformen
ist das Berechnungsgerät
in der Praxis dadurch reduziert, indem es funktionsmäßig in ein
Fahrzeug-Energieversorgungssystem 1 inkorporiert ist, welches
das gleiche bei der Konfiguration ist wie dasjenige, welches in 1 gezeigt
ist.
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Das
Fahrzeug-Energieversorgungssystem 1 gemäß der dritten Ausführungsform
verbessert ferner die Performance, die anhand der Konfiguration der
zweiten Ausführungsform
erzielt werden kann.
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Die
zweite Ausführungsform
zeigt, dass, wie dies beschrieben wurde, die Verwendung des Innenwiderstandes
Rc die Möglichkeit
bietet die untere Grenzwertspannung mit hoher Präzision zu schätzen. Im
Gegensatz dazu verbessert die dritte Ausführungsform eine Schwierigkeit,
die in einer Situation auftreten kann, bei der der innere Zustand
(das heißt der
Ladezustand) der Batterie 11 sich in einer Zeitperiode
von der Berechnung des Innenwiderstandes Rc bis zum nächsten Starten
der Maschine ändert.
In solch einer Situation kann sich der Wert des Innenwiderstandes
Rc ändern,
was dann zu einer Möglichkeit
führt,
dass ein Fehler in der unteren Grenzwertspannung Vmin (= Vb + Rc·ΔIb) verursacht
wird.
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Um
solch eine Situation zu überwinden
oder zu vermeiden, ist die CPU des Batteriezustand-Prozessors 15 so
konfiguriert, um wiederholt eine Folge von Prozessen auszuführen, die
in 9 gezeigt sind.
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Praktisch
werden gemäß der Darstellung
in 9 die Prozesse bei dem Schritt S208 und bei dem
Schritt S209 zu den Prozessen bei den Schritten S201 bis S207 hinzugefügt, die
identisch mit denjenigen in 2 sind.
Das heißt,
wie bei dem Schritt S208 in 9 gezeigt
ist, folgen auf die Prozesse zum Erzielen des korrigierten Innenwiderstandes
Rc (die Schritte S201 bis S207) eine Berechnung von SOC (Ladezustand:
%) der Batterie 11, welches ein Kennzeichen dafür darstellt,
eine momentane Laderate auszudrücken
(Schritt S208).
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Es
wird dann der Wert SOC gemäß der Darstellung
in 10 (Schritt S209) korrigiert. Um dies noch spezifischer
zum Ausdruck zu bringen werden Daten einer Funktion, welche eine
Beziehung zwischen dem Wert SOC und dem korrigierten Innenwiderstand
Rc angibt, aus dem Speicher in dem Batteriezustand-Prozessor 15 ausgelesen.
Die Daten der Funktion, die beispielhaft in 10 gezeigt
sind, wurden an früherer
Stelle festgelegt und wurden in dem Speicher wie beispielsweise
einem ROM gespeichert. Der momentan berechnete Wert von SOC wird an
der Auslesefunktion angewendet, um den gegenwärtigen Wert (normiertes Verhältnis) R2
des korrigierten Innenwiderstandes Rc zu berechnen. Bei der letzten
Berechnungs-Zeitlage wurde dann in der gleichen Weise der berechnete
Wert von SOC auf die Auslesefunktion angewendet, um einen Wert (normiertes
Verhältnis)
R1 des korrigierten Innenwiderstandes Rc zu berechnen. Somit wird
ein Verhältnis aus
R2/R1 berechnet und es wird der Wert des korrigierten Innenwiderstandes
Rc, der beim letzten Mal berechnet wurde, mit dem berechneten Verhältnis aus
R2/R1 multipliziert, um den Wert des korrigierten Innenwiderstandes
Rc, der momentan berechnet wird, zu korrigieren.
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Die
Vorteile der dritten Ausführungsform,
die sich dank der Korrektur des korrigierten Innenwiderstandes Rc
basierend auf der Laderate (SOC) ergeben, sind wie folgt.
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Der
Innnenwiderstand der Batterie 11 zeigt eine Abhängigkeit
von SOC, wie dies als Beispiel in 10 gezeigt
ist, die ein Verhältnis
aus dem Innenwiderstand Rc bei jedem Wert von SOC in Fällen zeigt,
bei denen der Innenwiderstand Rc zu 1 bei 100 % von SOC
zugeordnet wird. Die Charakteristik dieser Abhängigkeit ist für den vorausgehend
korrigierten Innenwiderstand Rc wahr. Der Wert SOC kann unter Verwendung
vielfältiger
bekannter Techniken geschätzt
werden wie beispielsweise einer Technik, die eine Pseudo-Offenkreis-Spannung
verwendet, und einer Technik, die einen Betrag des gesammelten Stromes
verwendet.
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11 veranschaulicht
Ergebnisse, bei denen die Fehler beim Schätzen der unteren Grenzwertspannung
getestet wurden, wenn die vorausgegangene Korrektur von SOC an dem
korrigierten Innenwiderstand Rc angewendet wurde. Im Falle von 11 wurde
der korrigierte Innenwiderstand Rc in Fällen korrigiert, bei denen
sich der Wert SOC innerhalb von 5 bis 20 % geändert hat.
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Auf
diese Weise ermöglicht
die Durchführung
oder Bestimmung des korrigierten Innenwiderstandes Rc in Partnerschaft
zu dem Wert SOC, das heißt
der Lade-Rate, dass ein maximaler Fehler beim Schätzen der
unteren Grenzwertspannung reduziert wird und zwar von 0,29 V herab
bis auf 0,22 V, verglichen mit einem Fall, bei dem die SOC-abhängige Korrektur
nicht ausgeführt
wurde. Von einer anderen Perspektive aus betrachtet wurde festgestellt,
dass ein Mittelwert der Fehler von 0,08 V auf 0,05 V reduziert werden
konnte. Da der Innenwiderstand RC, der einmal gemäß der Offenspannungs-Differenz ΔVo korrigiert
worden ist, weiter abhängig
von SOC korrigiert werden kann, kann die untere Grenzwertspannung
noch mit höherer
Genauigkeit geschätzt
werden.
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Die
vorliegende Erfindung kann in mehreren anderen Ausführungsformen
realisiert werden, ohne dabei den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die bisher beschriebenen Ausführungsformen
und Modifikationen derselben sollen daher lediglich der Veranschaulichung
dienen und sollen den Rahmen der Erfindung, wie er sich aus den
anhängenden
Ansprüchen
ergibt, nicht einschränken
und sollen auch nicht durch die diesen vorausgehende Beschreibung
eingeschränkt
werden. Alle Änderungen,
die in die Grenzen der Ansprüche
fallen oder auch Äquivalente dieser
Vorgaben und Grenzen werden somit durch die Ansprüche mit
umfasst.