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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von zwei Ansätzen zur Erfassung des
aktuellen Ladestands (state of charge, SOC) eines Akkumulators.
Gemäß einem ersten Ansatz wird aus der Spannung,
die im Freilauf, d. h. ohne Last, an den Anschlüssen des
Akkumulators anliegt, auf den Ladestand geschlossen. Zum einen sind
bei diesem Verfahren nicht lineare Zusammenhänge zu berücksichtigen,
und zum zweiten wird die Alterung des Akkumulators, d. h. die Abnahme der
Kapazität des Akkumulators mit fortschreitender Betriebsdauer,
nicht berücksichtigt.
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Gemäß einem
zweiten Ansatz wird ein Kalibrierungsschritt vorgesehen, bei dem
der Akkumulator vollständig entladen wird, um eine genau
erfassbare Ladesituation zu definieren, woraufhin das Ladeverhalten
des Akkumulators betrachtet wird. Die Betrachtung des Ladeverhaltens
geschieht durch kontinuierliches Aufladen mit einem bestimmten Ladestrom,
wobei die (lastfreie) Akkumulatorspannung gemessen wird. Erreicht
die Akkumulatorspannung einen bestimmten Wert, so wird dies als
100%-ige Aufladung des Akkumulators definiert.
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Ein
derartiges Verfahren ist in der Anmeldung
WO 02/42786 A2 beschrieben.
Jedoch erfordert dieser Ansatz ein vollständiges Entladen
und Neuaufladen des Akkumulators, d. h. einen aktiven Eingriff in
den Betrieb des Akkumulators, während dessen der Akkumulator
nicht zur Stromversorgung eines Verbrauchers verwendet werden kann.
Ferner führt bei bestimmten Akkumulatortypen eine vollständige
Entladung zu einer deutlichen Alterung des Akkumulators, wodurch
weiterhin die Kapazität des Akkumulators verringert wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß dem
der Erfindung zugrunde liegenden Konzept wird der Änderung
des Lade-/Entladeverhaltens der Akkumulators mit zunehmender Betriebsdauer
und abnehmender Kapazität Rechnung getragen, indem die
Kapazitätsgröße des Akkumulators durch
passi ves Überwachen neu ermittelt wird. Dadurch kann die
Ladestandserkennung neu kalibriert werden. Erfindungsgemäß wird
ein Lastprofil erfasst, das von einem Verbraucher, der an einen
Akkumulator angeschlossen ist, bei seinem normalen Betrieb vorgesehen
wird. Von dem erfassten Lastprofil kann auf eine Kapazitätsgröße
des Akkumulators geschlossen werden, die die momentan vorliegende Kapazität
und das Verhalten der Kapazität unter Last wiedergibt.
Hierzu wird ein Kapazität-Parameterfeld vorgesehen, das
beispielsweise vom Akkumulatortyp und/oder von der Temperatur abhängig
ist, mit dem sich aufgrund des angeschlossenen Lastprofils auf die
Kapazitätsgröße des Akkumulators schließen lässt.
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Ein
derartiges Kapazität-Parameterfeld kann erstellt werden,
indem ein bestimmter Akkumulatortyp bei einer bestimmten Temperatur
oder bei verschiedenen Temperaturen hinsichtlich seines Verhaltens
gegenüber verschiedenen Lastzuständen beobachtet
wird. Hierzu wird der Strom und die Spannung des Akkumulators für
verschiedene Lasten gemessen, wobei gleichzeitig der Ladezustand
(state of charge, SOC) genau erfasst wird und den verschiedenen
Lasten bzw. verschiedenen Betriebszuständen (Spannung,
Strom) zugeordnet wird. Vorzugsweise wird ferner die zugehörige
Temperatur erfasst.
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Um
daher die Ladezustandserfassung neu zu kalibrieren, d. h. der Berechnung
des aktuellen Ladezustands die aktuelle Speicherfähigkeit
des Akkumulators zugrunde zu legen, wird die aktuelle Kapazitätsgröße,
welche der aktuellen Speicherfähigkeit des Akkumulators
entspricht, aus dem Kapazität-Parameterfeld ausgelesen.
Hierzu wird zunächst ein Lastprofil ermittelt, d. h. durch
passives Erfassen der aktuellen Spannung und des aktuellen Stroms
des Akkumulators an der Verbindung zu der angeschlossenen Last bzw.
zu dem Verbraucher, woraufhin das gespeicherte Kapazität-Parameterfeld
herangezogen werden kann, um die zugeordnete aktuelle bzw. kalibrierte
Kapazitätsgröße zu erfassen. Das Lastprofil
kann ferner die Temperatur, den Akkumulatortyp und ähnliche
Größen, die die Kapazität mit bestimmen,
umfassen.
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Das
Auslesen der aktuellen Kapazitätsgröße,
ausgehend von dem aktuellen Lastprofil, entspricht dem umgekehrten
Vorgang, mit dem das Kapazität-Parameterfeld erstellt wurde.
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Der
kontinuierlichen oder zeitdiskreten, sich wiederholenden Ermittlung
des Ladezustands des Akkumulators kann somit das aktuelle Lade-/Entladeverhalten
des Akkumulators zugrunde gelegt werden, das sich beispielsweise
aufgrund von Alterungsprozessen ändert.
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Daher
wird erfindungsgemäß zunächst ein vom
Akkumulatortyp und von der Temperatur des Akkumulators abhängiges
Kapazität-Parameterfeld aufgebaut, das einem Lastprofil
eine Kapazitätsgröße des Akkumulators
zuordnet. Erfindungsgemäß wird dann das aktuelle Lastprofil
erfasst, d. h. durch Messen des Stroms und der Spannung am Akkumulator, das
von dem anliegenden (natürlichen) Verbraucher und dem Akkumulator
vorgesehen wird. Daraufhin wird basierend auf dem erfassten aktuellen
Lastprofil die aktuelle Kapazitätsgröße
mittels des Kapazität-Parameterfelds ermittelt, das der
folgenden Ermittlung des Ladezustands zugrunde gelegt wird. Dies
entspricht einer Kalibrierung der Ladezustandserfassung.
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Mit
der nun zugrunde liegenden aktuellen Kapazitätsgröße
wird ein aktueller Betriebsparameter des Akkumulators erfasst, beispielsweise
die ab einem bestimmten Zeitpunkt geflossene Ladung (mittels Aufsummieren
oder Integrieren des kontinuierlich erfassten Stroms). Dieser aktuelle
Betriebsparameter kann aufgrund der neu kalibrierten zugrunde liegenden
Kapazitätsgröße des Akkumulators einem Ladezustand
des Akkumulators zugeordnet werden, beispielsweise mittels einer
Tabelle oder einer Näherungsgleichung. Eine Ladezustand-Tabelle
kann somit mehreren Betriebsparameterwerten bzw. mehreren Intervallen
von Betriebsparametern zu einem jeweiligen Ladezustand zuordnen.
Die neu kalibrierte Kapazitätsgröße wird
berücksichtigt, indem die Ladezustand-Tabelle bzw. Näherungsgleichung
auch die Kapazitätsgröße berücksichtigt,
und somit eine Änderung der Kapazitätsgröße
mit der Zeit zulässt, ohne die Ladezustandsanzeige zu verfälschen.
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Der
aktuelle Betriebsparameter, der zur Bestimmung des Ladezustands
des Akkumulators herangezogen wird, kann mittels einer Messung erfasst werden,
oder kann aus dem ermittelten aktuellen Lastprofil entnommen werden.
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Erfindungsgemäß wird
der Ladezustand des Akkumulators aus aktuellen Betriebsparametern
ermittelt, indem als Betriebsparameter eine aufsummierte Lade-/Entlade-Ladungsmenge
durch Aufsummierung des fließenden Stroms erfasst wird,
oder indem der Strom selbst erfasst wird, oder indem die Spannung
am Akkumulator erfasst wird. Auch die Kombination des fließenden
Stroms und der anliegenden Spannung kann verwendet werden, um einen
Betriebsparameter zu erfassen, mit dem auf den aktuellen Ladezustand
des Akkumulators zurückgeschlossen werden kann.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die der
Ermittlung des Ladezustands des Akkumulators zugrunde liegende aktuelle Kapazitätsgröße
erfasst, indem ein Strom und die zugehörige Spannung am
Akkumulator erfasst wird. Vorzugsweise werden mehrere Strom- bzw.
Spannungspunkte erfasst, um so einen Lade- oder Entladevorgang zumindest
für einen kleinen Spannungs- bzw. Strombereich zu identifizieren,
wobei das Verhalten während des Ladens und des Entladens
direkt von der Kapazitätsgröße abhängt.
Im Umkehrschluss kann daher von dem Lastprofil auf die Kapazitätsgröße,
d. h. die allgemeinen Eigenschaften des Akkumulators beim Laden
und beim Entladen geschlossen werden. Diese so erfassten Eigenschaften
dienen der Kalibrierung bei der Ermittlung des Ladezustands und
fließen somit bei der Ermittlung des aktuellen Ladezustands
aufgrund eines aktuellen Betriebsparameters des Akkumulators mit
ein. Ferner wird vorzugsweise bei der Erfassung des aktuellen Lastprofils
die Temperatur und der Akkumulatortyp berücksichtigt, die
ebenfalls Einfluss auf die Kapazitätsgröße
haben können. Zudem wird vorzugsweise die Anzahl an bereits
mit diesem Akkumulator durchgeführten Lade- bzw. Entladezyklen
sowie die Nennkapazität des Akkumulators berücksichtigt,
wobei diese Größen ebenfalls einen Einfluss auf
die Kapazitätsgröße haben können.
Als weitere, die Kapazitätsgröße beeinflussende
Größe kann die gesamte bislang gespeicherte bzw.
wieder abgegebene Energie berücksichtigt werden, d. h.
die Energie, die den Akkumulator bereits insgesamt durchlaufen hat.
Dies entspricht der akkumulierten Benutzungsintensität,
die wiederum direkten Einfluss auf die Alterung und somit direkten
Einfluss auf die aktuelle Kapazitätsgröße des
Akkumulators hat.
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Die
Kapazitätsgröße kann eine relative oder absolute
Angabe sein. Als relative Angabe kann die Kapazitätsgröße
ein Wert sein, der den Anteil der noch verbleibenden aktuellen Kapazität
des Akkumulators bezogen auf die Anfangskapazität bzw.
die Endkapazität des Akkumulators darstellt. Als relative Größe
kann die Kapazitätsgröße daher angeben,
wie viel Kapazität von der anfangs vorhandenen Kapazität
noch vorhanden ist, wobei der verbleibende Rest durch Alterungsprozesse
bereits verloren gegangen ist. Diese auf die Nennkapazität
des Akkumulators bezogene Kapazitätsgröße
kann als Verhältnis ausgedrückt werden und kann
von einem analogen oder digitalen Signal wiedergegeben werden. Das
analoge bzw. digitale Signal entspricht somit einem Anteilswert,
dem keine physikalische Einheit zuzuordnen ist. Alternativ oder
in Kombination hierzu kann die Kapazitätsgröße
einen Energiewert oder Ladungswert als absolute Größe
darstellen, der in dem Akkumulator noch gespeichert werden kann.
Dieser Wert kann ebenfalls als analoges oder digitales Signal wiedergegeben
werden, das einen Wert darstellt, aus dem direkt auf die Kapazität
geschlossen werden kann.
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Der
Kalibrierungsvorgang, d. h. die Ermittlung der aktuellen Kapazitätsgröße,
die der Ermittlung des Ladezustands zugrunde liegt, kann wiederholt
ausgeführt werden, wenn zwischen zwei aufeinander folgenden
Kalibrierungsschritten ein Alterungsprozess stattfindet, der die
aktuelle Kapazitätsgröße des Akkumulators
nicht vernachlässigbar ändert. Abhängig
von dem Einsatzgebiet des Akkumulators und der zulässigen
Fehlergenauigkeit des Ladezustands kann beispielsweise bei der Verwendung in
Hybridantrieben die aktuelle Kapazitätsgröße
monatlich oder jede 1000 gefahrene Kilometer neu ermittelt werden.
Zwischen den Kalibrierungsprozessen wird der Ladezustand des Akkumulators
ausgehend von der zuletzt ermittelten aktuellen Kapazitätsgröße
ermittelt. Alterungsprozesse, d. h. Änderungen oder Verringerungen
der Kapazitätsgröße des Akkumulators,
die zwischen zwei aufeinander folgenden Kalibrierungsvorgängen
auftreten, werden somit nicht berücksichtigt. In der Zeitperiode
oder innerhalb des Streckenleistungsintervalls zwischen zwei Kalibrierungsschritten
wird der Akkumulator ständig oder häufig wiederholt
hinsichtlich des Ladezustands überprüft. Die Abtastgeschwindigkeit
zur Ermittlung des Ladezustands kann um ein Vielfaches höher
sein als die Wiederholungsrate der Ermittlung einer aktuellen Kapazitätsgröße.
Beispielsweise kann der Ladezustand des Akkumulators jede Sekunde
ermittelt werden, um eine hoch aufgelöste Darstellung zu
erreichen, wohingegen eine aktuelle Kapazitätsgröße nur
jeden Tag ermittelt wird.
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Zur
Erfassung des aktuellen Ladezustands ausgehend von aktuellen Betriebsparametern
kann wiederholt, periodisch oder kontinuierlich ein Strom oder eine
Spannung erfasst werden, die vorzugsweise gemittelt sind. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform wird der gemittelte Strom erfasst
und über einen Integrator, beispielsweise einen zeitdiskreten Addierer,
integriert bzw. aufsummiert, um einen Wert für die in oder
aus dem Akkumulator geflossene Ladung zu erhalten.
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Die
aktuelle Kapazitätsgröße kann ebenfalls kontinuierlich
oder periodisch erfasst werden. Alternativ oder in Kombination hierzu
kann die aktuelle Kapazitätsgröße beim
Auftreten bestimmter Ereignisse ermittelt werden, beispielsweise
wenn zwei aufeinanderfolgend erfasste Ladezustände sich
um mehr als einen bestimmten Differenzbetrag unterscheiden, wenn
seit dem letzten Auslesen der Kapazitätsgröße eine
bestimmte Zeitspanne vergangen ist, wenn eine bestimmte Gesamtdistanz
gefahren wurde, wenn die kumulierte Akkumulator-Betriebsdauer einen Schwellwert
erreicht hat, wenn der aufsummierte Stromwert, d. h. die im Akkumulator
vorliegende Ladung, einen bestimmten Schwellwert übersteigt
oder unterschreitet, beispielsweise eine Ladung über 95% oder
eine Ladung unter 5%, oder wenn ein Betriebsparameter überschritten
wird, beispielsweise eine Temperatur. Ferner kann die aktuelle Kapazitätsgröße
erfasst werden und somit ein Kalibrierungsvorgang ausgelöst
werden, wenn ein aktueller Betriebsparameter außerhalb
von Normwerten auftritt, d. h. aus einem vorgegebenen Toleranzintervall
herausfällt. Beispiele hiefür sind das Unterschreiten
einer Minimalspannung oder das Überschreiten einer Maximalspannung
oder das Unterschreiten eines Maximalstroms oder einer Maximalladung
oder das Überschreiten eines Maximalstroms oder einer Maximalladung.
Ferner kann ein Kalibrierungsvorgang auch ausgelöst werden,
wenn dies eine Benutzereingabe erfordert oder wenn ein Zähler,
der die Anzahl der Richtungsumkehrungen des an dem Anschluss des Akkumulators
fließenden Stroms zählt, einen Schwellwert übersteigt.
Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung
wird nach jedem Kalibrierungsvorgang der Prozess zum Ermitteln eines
Ladezu stands zurückgesetzt oder auf einen bestimmten Wert
gesetzt, der sich vorzugsweise aus dem Kapazität-Parameterfeld
und einem zugeordneten Lastprofil bzw. einer zugeordneten Kapazitätsgröße
ergibt.
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Ist
somit erwünscht, dass direkt nach jedem Kalibrierungsvorgang
durch Auslesen einer aktuellen Kapazitätsgröße
der Prozess des Ermittelns eines Ladezustands von einer bestimmten
Stelle an neu beginnt, so kann jedem Lastprofil auch ein aktueller Ladezustand
zugeordnet sein, auf den der Prozess des Ermittelns des Ladezustands
zurückgesetzt wird, und der als Ausgangsbasis zur weiteren
Ermittlung des Ladezustands dient. Hierdurch werden Fehler, die
sich beim Aufsummieren des Stroms zur Ermittlung der Ladung akkumulieren,
nicht über einen Kalibrierungsschritt hinaus weitergetragen.
Dadurch können Fehler bei einer fortgesetzten Bilanzierung
der akkumulierten Ladung aus der Ermittlung des Ladezustands vermieden
werden.
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Ist
die Kapazitätsgröße ein absoluter Wert, aus
dem sich direkt die absolut speicherbare Menge an Energie ermitteln
lässt, dann kann das erfindungsgemäße
Verfahren auch verwendet werden, um eine Antriebsbatterie mit unbekanntem
Ladezustand zu verwenden, woraufhin zunächst aus einem
gewonnenen Lastprofil die Kapazitätsgröße
des Akkumulators ermittelt wird und daraufhin aktuelle Betriebsparameter
des Akkumulators erfasst werden, aus denen sich wiederum der aktuelle
Ladezustand des Akkumulators ermitteln lässt, ausgehend
von der ermittelten aktuellen Kapazitätsgröße.
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Wird
der Akkumulator in Impulsen belastet, d. h., enthält der
am Lade-/Entladeanschluss fließende Strom eine hohe Wechselstromkomponente,
so wird im Rahmen der Erfassung des Lastprofils und/oder im Rahmen
der Erfassung aktueller Betriebsparameter die Spannung erst nach
einer vorbestimmten Zeitperiode erfasst, nachdem der Wechselanteil
des Stroms auf einen geringen Wert zurückgegangen ist.
Daher wird vorzugsweise die Spannung erst nach einer bestimmten
Zeitperiode erfasst, nachdem eine Flanke im Ladestrom bzw. Entladestrom
des Akkumulators aufgetreten ist. Dadurch wird vermieden, dass die
Spannung fehlerhaft ermittelt wird, da sich direkt nach dem Auftreten
einer Flanke im Lade- bzw. Entladestrom ein so genannter Spannungssack
ausbildet, der die asymptotische Annäherung der Spannung
an einem Dauerwert nach Impulsbelastung wiedergibt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigt die 1 ein Informationsflussdiagramm,
das eine Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wiedergibt.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
der 1 ist der Informationsfluss dargestellt, der bei
einer beispielhaften Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens auftritt. Die im Folgenden anhand des Informationsflusses
dargestellte Vorgehensweise entspricht einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In
einem ersten Schritt 10 wird ein Lastprofil erfasst, beispielsweise
durch Messen der Spannung, des Stroms und der Temperatur eines Akkumulators. In
einem Kapazität-Parameterfeld 20 sind bereits
für eine Vielzahl von derartigen Lastprofilen Einträge vorhanden,
wobei jedem Eintrag eines Lastprofils eine Kapazitätsgröße
zugeordnet ist. Das Kapazität-Parameterfeld enthält
somit Einträge des Lastprofils als Spannungs-, Strom- und
Temperaturwerte oder als aneinandergrenzende Strom-, Spannungs- und
Temperaturintervalle. Jedem dadurch definierten Lastprofil ist eine
Kapazitätsgröße zugeordnet, die anhand
eines vorab mit dem Akkumulator oder einem sich ähnlich
verhaltenden Akkumulator durchgeführten Lade- bzw. Entladeversuchen
für viele verschiedene Kapazitätsgrößen
erstellt wurde. Jedem Alterungszustand, d. h. jeder Kapazitätsgröße,
ist dadurch ein Lastprofil zugeordnet, und umgekehrt. Das Kapazität-Parameterfeld
kann ferner weitere Parameter enthalten. Wenn das Kapazität-Parameterfeld die
Entsprechungen von Lastprofilen und Kapazitätsgrößen
für mehrere Akkumulatortypen aufweist, so können
eine Vielzahl von Akkumulatortypen mit dem Kapazität-Parameterfeld
verwendet werden.
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Durch
Auslesen eines bestimmten Eintrags, der dem anliegenden Lastprofil
entspricht, wird eine aktuelle Kapazitätsgröße 30 ermittelt,
die eine Kalibrierungsgrundlage für die darauf folgende
Ermittlung eines Ladezustands ist. Die Kapazitätsgröße 30 bestimmt
somit die Zuordnung von Betriebsparametern zu Ladezuständen
und trägt Alterungsprozessen oder Veränderungen
des Akkumulators Rechnung.
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Der
Ladezustand 40 (state of charge, SOC) ergibt sich aus Betriebsparametern 50,
die sich an dem Akkumulator messen lassen. Beispielsweise wird als
Betriebsparameter der aufsummierte fließende Strom erfasst,
beispielsweise durch periodisches Abtasten des Lade- bzw. Entladestroms
und durch kontinuierliches Aufsummieren des erfassten Stromwerts.
Die 1 zeigt zwei zueinander alternative Verknüpfungen
zwischen Betriebsparameter 50 und Ladezustand 40.
Die erste Alternative 62 ist eine Ladezustand-Tabelle,
die den aktuellen Ladezustand 40 aus den aktuellen Betriebsparametern 50 ermittelt,
wobei der Ver knüpfung die aktuell ermittelte Kapazitätsgröße 30 zugrunde
liegt. Beispielsweise kann mittels der aktuellen Kapazitätsgröße 30 eine
Ladezustand-Tabelle aus einer Vielzahl von Ladezustand-Tabellen
ausgewählt werden, wobei jede der Vielzahl der Ladezustand-Tabellen
einer Kapazitätsgröße zugeordnet sind,
so dass für eine Anzahl von Kapazitätsgrößen
jeweils eine Ladezustand-Tabelle vorgesehen wird. Alternativ kann
die Ladezustand-Tabelle auch Zuordnungen für verschiedene Kapazitätsgrößen
aufweisen. Jedoch sind auch weitere Zuordnungen denkbar, bei denen
aufgrund der eingegebenen aktuellen Kapazitätsgröße
jeweilige Zusammenhänge zwischen dem aktuellen Ladezustand
und dem aktuellen Betriebsparameter dargestellt werden.
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Alternativ
oder in Kombination hierzu kann eine Näherungsgleichung 64 verwendet
werden, die, ebenfalls aufgrund der ermittelten aktuellen Kapazitätsgröße,
einen Zusammenhang zwischen dem aktuellen Betriebsparameter und
dem aktuellen Ladezustand darstellt. Die Näherungsgleichung
kann eine lineare oder stückweise lineare Funktion sein,
die sich aufgrund von Parametern definiert, oder kann, ebenfalls
stückweise oder stetig, eine Polynom-Näherung
oder eine Näherung durch eine Reihenentwicklung sein, die
sich ebenfalls durch einen Satz von Parametern bestimmt. Statt der
Entsprechungen zwischen Betriebsparameter und Ladezustand kann somit
ein Parameterfeld gespeichert werden, das mehrere Sätze
von Parametern für die Näherungsgleichungen umfasst
und verschiedenen Kapazitätsgrößen zuordnet.
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Vorzugsweise
wird entweder eine Ladzustand-Tabelle 62 oder eine Näherungsgleichung 64 verwendet,
wobei in einer bevorzugten Ausführungsform nur die Ladezustand-Tabelle 62 zur
Zuordnung verwendet wird und die Zuordnung über die Näherungsgleichung 64 nicht
Teil des Verfahrens ist. Im Allgemeinen kann die Ladezustand-Tabelle 62 oder die
Näherungsgleichung 64 oder eine Kombination hiervon
verwendet werden, um aus dem Betriebsparameter einen Ladezustand
zu gewinnen. Daher bezeichnet in der 1 das Bezugszeichen 60 eine
allgemeine Zuordnungsfunktion, deren erste alternative Implementierung
die Ladezustand-Tabelle und die zweite dazu alternative Implementierung
die Näherungsgleichung 64 umfasst. Umfasst die
Zuordnungsfunktion 60 die Ladezustand-Tabelle 62 sowie die
Näherungsgleichung 64 in Kombination, so kann die
sich daraus ergebende Redundanz verwendet werden, um die jeweiligen
Ergebnisse zu überprüfen.
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In
einer weiteren Ausführung der Erfindung wird der aktuelle
Betriebsparameter 50, beispielsweise die zeitliche Integration
des am Anschluss des Akkumulators fließenden Stroms, aus
dem erfassten Lastprofil 10 gewonnen, das gemäß einer
Ausführungsform unter anderem die gleiche physikalische Größe
misst, die auch Grundlage für den Betriebsparameter 50 ist.
Wird daher als Betriebsparameter die an dem Akkumulator anliegende Spannung
verwendet, um den aktuellen Ladezustand zu erfahren, so kann der
Wert verwendet werden, der bereits bei der Messung des Lastprofils
ermittelt wurde, bei dem ebenfalls neben dem Strom (und der Temperatur)
die Spannung gemessen wurde.
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Das
Verfahren kann mittels einer elektronischen Schaltung umgesetzt
werden, die eine CPU und einen Speicher umfasst. Das Kapazität-Parameterfeld
ist vorzugsweise auf einem nicht flüchtigen Speichermedium
gespeichert, beispielsweise einem Flash-Speicher. Als zentrale Recheneinheit
kann eine CPU verwendet werden oder ein entsprechend programmierter
Microcontroller. Der angeschlossene nicht flüchtige Speicher
umfasst daher ferner vorzugsweise, neben dem Kapazität-Parameterfeld,
ein Programm zur Durchführung des Verfahrens. Ferner kann
die Ladezustand-Tabelle in dem nicht flüchtigen Speicher
gespeichert sein. Zur Erfassung der zeitlichen Integration des am
Anschluss des Akkumulators fließenden Stroms kann ein digitaler
Integrator als Zähler verwendet werden, wobei der Zähler
als eigenständige Additionseinheit oder innerhalb der Software
zusammen mit der Recheneinheit implementiert wird. Ferner kann die
elektronische Schaltung einen Analog-Digitalwandler umfassen und/oder
einen analogen Integrator.
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Das
der Erfindung zugrunde liegende Konzept kann sich ferner durch Betrachtung
eines Belastungsdiagramms eines Akkumulators darstellen. In einem
I/U-Diagramm, bei dem der bei Entladung aus dem Akkumulator fließende
Strom über der gleichzeitig an der Akkumulator anliegenden
Spannung aufgetragen ist, ergibt sich eine Gerade, oder eine Näherung
hiervon, deren Schnitt mit der I-Achse (in der der Strom aufgetragen
ist) den Kurzschlussstrom darstellt, und der Schnitt mit der U-Achse
(entlang der die Spannung aufgetragen ist) die Leerlaufspannung
darstellt. Die Steigung entspricht dem Innenwiderstand des Akkumulators.
Wird die Entladung betrachtet, so ergibt sich eine abfallende Gerade
innerhalb des ersten Quadranten. Sowohl Alterung (d. h. Kapazitätsabnahme)
als auch Entladung haben einen Einfluss auf die Steigung der Geraden
sowie auf die Stellen, an denen die Gerade die Achsen schneiden.
Da jedoch ein durch Alterung bedingter Verlust der Kapazität
sich anders auf die Steigung und die Parallelverschiebung der Geraden
zum Nullpunkt hin auswirkt als die Entladung, kann durch Erfassung
eines Lastpunkts, vorzugsweise durch Erfassung von zwei Lastpunkten,
die Kapazitätsgröße (die von der Alterung
abhängt) von Beeinflussungen durch den Ladezustand getrennt
werden.
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Gemäß einem
Systemmodell, auf dem das Verfahren aufgebaut werden kann, um genaue
Werte oder erste Näherungswerte zu ermitteln, führt
die Alterung vornehmlich zur Erhöhung des Innenwiderstands,
d. h. beeinflusst im Wesentlichen nur die Steigung der Geraden,
wohingegen der Ladezustand die Steigung nur unwesentlich beeinflusst
und die Gerade zum Nullpunkt hin parallel verschiebt. Mit anderen Worten
beeinflusst ein Alterungs prozess, der mit der Beeinflussung der
Kapazitätsgröße einhergeht, stärker
den Kurzschlussstrom als die Leerlaufspannung, wohingegen die Entladung
eines Akkumulators mit gegebener Kapazität den Kurzschlussstrom
genauso beeinflusst wie die Leerlaufspannung. Diese Zusammenhänge
können sowohl bei der Ermittlung und Verwendung des Kapazität-Parameterfeldes
verwendet werden sowie bei der Ermittlung des Ladezustands unter
Verwendung einer Näherungsgleichung oder einer Ladezustand-Tabelle.
Insbesondere bei Verwendung von zwei Lastpunkten, die beispielsweise
nacheinander innerhalb eines Ladevorgangs oder Entladevorgangs nach
einer bestimmten Zeitdauer oder nach dem Fließen einer
bestimmten Ladungsmenge erfasst werden, kann, bezogen auf das zugrunde
liegende Systemmodell, die entsprechende Belastungsgerade erfasst
werden, deren Steigung und deren Achsenschneidungspunkt oder Achsenschneidungspunkte
sowohl zur Ermittlung der Kapazitätsgröße
als auch des Ladezustands verwendet werden. Daher kann das Ermitteln
der aktuellen Kapazitätsgröße mittels
Kapazität-Parameterfeldes mit dem Zuordnen des Ladezustands
zu dem aktuellen Betriebsparameter einhergehen, ohne die Zwischengröße
der aktuellen Kapazitätsgröße 30 vorzusehen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform wird die Funktion der Zuordnung
durch das Kapazität-Parameterfeld durch eine Näherungsgleichung
vorgesehen. Diese Näherungsgleichung, die aufgrund des Lastprofils
die aktuelle Kapazitätsgröße und/oder den
aktuellen Ladezustand ermittelt, wendet das oben beschriebene Systemmodell
oder ein ähnliches Modell an, um die Belastungsgerade oder
eine entsprechende Entlastungskurve nachzuvollziehen und aus den
kennzeichnenden Parametern der Belastungskurve bzw. der Belastungsgeraden,
d. h. Kurzschlussstrom und/oder Kurzschlussspannung und/oder Innenwiderstand
(d. h. Steigung der Geraden oder ein Krümmungsparameter
einer Kurve) auf die aktuelle Kapazitätsgröße
und/oder auf den aktuellen Ladezustand schließen zu können.
Die mathematische Grundlage für das Modell kann ein Gleichungssystem
mit zwei Gleichungen sein, wobei die eine Gleichung aus einem Betriebsparameter
oder aus einem Satz von Betriebsparametern einen Zusammenhang mit
der Kapazitätsgröße darstellt, und die
andere Gleichung einen Zusammenhang zwischen einem Betriebsparameter
oder einem Satz von Betriebsparametern und dem aktuellen Ladezustand herstellt.
Um eine eindeutige Lösung zu erhalten, wird vorzugsweise
ein Betriebsparameter oder ein Betriebsparametersatz für
die eine Gleichung verwendet, die sich von dem Betriebsparameter
bzw. Betriebsparametersatz der anderen Gleichung unterscheidet.
Vorzugsweise werden daher zur Erfassung der Kapazitätsgröße
und des Ladezustands zwei verschiedene Messungen am Akkumulator
durchgeführt, die zwei verschiedene Zustände des
Akkumulators darstellen, beispielsweise verschiedene Belastungen
oder Ladezustände.
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Der
Akkumulator kann umgesetzt werden durch einen Blei-Gelakkumulator,
einen Bleiakku, einen Nickel-Cadmium-Akku, einen Nickelmetallhydrid-Akkumulator,
einen Lithium-Ionen-Akku oder derartige oder ähnliche Akkumulatoren
mit einem Polymerelektrolytersatz. Der Akkumulator kann auch ganz
allgemein durch eine Sekundärbatterie beliebiger elektrochemischer
Zusammensetzung dargestellt werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführung der Erfindung wird der Ladezustand
verwendet, um die optimale Betriebsstrategie auszuwählen,
d. h., einen Kompromiss zwischen der Optimierung von Verbrauchswerten
und der Maximierung des Fahrkomforts darzustellen. Beispielsweise
kann dem aktuellen Fahrerwunsch ein höheres Gewicht beigemessen werden,
wenn der Akkumulator noch voll ist, wohingegen bei geringem Ladezustand
ein höheres Gewicht auf die Minimierung von Verbrauchswerten
gesetzt wird, so dass beispielsweise eine maximal zulässige
Beschleunigung und/oder eine maximal zulässige Fahrzeuggeschwindigkeit
und/oder ein maximal zulässiger Entladestrom proportional
ist zu der im Akkumulator noch gespeicherten Energie. Bei geringem
Ladezustand werden diese maximalen Fahrwerte verringert und bei
hohem Ladezustand erhöht, um das Fahrverhalten dem Fahrerwunsch
besser anpassen zu können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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