DE102007019987A1 - Ladestandbestimmung von Akkumulatoren - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Ladezustands eines Akkumulators, der einen Lade-/Entladeanschluss aufweist, mit den Schritten: Vorsehen eines Kapazität-Parameterfelds, das mindestens einem Lastprofil mindestens eine Kapazitätsgröße des Akkumulators zuordnet; Erfassen des aktuellen Lastprofils; Auslesen der aktuellen Kapazitätsgröße des Akkumulators aus dem Kapazität-Parameterfeld; Erfassen eines aktuellen Betriebsparameters des Akkumulators und Ermitteln eines Ladezustands des Akkumulators aus dem aktuellen Betriebsparameter und der aktuellen Kapazitätsgröße. Die Erfindung umfasst ferner eine elektronische Schaltung zum Auführen des Verfahrens.

Description

  • Stand der Technik
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Offenbarung der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Das Auslesen der aktuellen Kapazitätsgröße, ausgehend von dem aktuellen Lastprofil, entspricht dem umgekehrten Vorgang, mit dem das Kapazität-Parameterfeld erstellt wurde.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigt die 1 ein Informationsflussdiagramm, das eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wiedergibt.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - WO 02/42786 A2 [0003]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Ermittlung des Ladezustands eines Akkumulators, der einen Lade-/Entladeanschluss aufweist, mit den Schritten: Vorsehen eines Kapazität-Parameterfelds, das mindestens einem Lastprofil jeweils eine Kapazitätsgrösse des Akkumulators zuordnet; Erfassen des aktuellen Lastprofils; Auslesen der aktuellen Kapazitätsgrösse des Akkumulators, die dem aktuellen Lastprofil zugeordnet ist, aus dem Kapazität-Parameterfeld; Erfassen eines aktuellen Betriebsparameters des Akkumulators; und Ermitteln eines Ladezustands des Akkumulators aus dem aktuellen Betriebsparameter und der aktuellen Kapazitätsgrösse.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln des Ladezustands des Akkumulators das Auslesen einer Ladezustand-Tabelle umfasst, die mehreren Betriebsparameterwerten und mehreren Kapazitätsgrössen einem jeweiligen Ladezustand zuordnet, oder die den Ladezustand mittels einer gespeicherten Näherungsgleichung aus dem aktuellen Betriebsparameter und der aktuellen Kapazitätsgrösse ermittelt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Erfassen des Betriebsparameters ein Erfassen einer zeitlichen Integration oder eines Aufsummierungswerts des an dem Lade-/Entladeanschluss fliessenden Stroms, ein Messen des an dem Lade-/Entladeanschluss fliessenden Stroms, und/oder das Messen der an dem Lade-/Entladeanschluss anliegenden Spannung umfasst.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Erfassen des aktuellen Lastprofils das Messen des an dem Lade-/Entladeanschluss fliessenden Stroms und das Messen der an dem Lade-/Entladeanschluss anliegenden Spannung für einen, zwei oder für eine Vielzahl verschiedener Strom- oder Spannungswerte umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Erfassen des aktuellen Lastprofils ferner ein Messen der Temperatur des Akkumulators, ein Erfassen des Akkumulatortyps, ein Erfassen des Kapazitätsnennwerts des Akkumulators, ein Erfassen der insgesamt mit der Anzahl der mit dem Akkumulator durchgeführten Ladezyklen und/oder ein Erfassen der insgesamt von dem Akkumulator gespeicherten und wieder abgebenen Energie umfasst.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kapazitätsgrösse ein Wert ist, der den Anteil der aktuellen Kapazität des Akkumulators bezogen auf eine Nenn- oder Anfangskapazität als analoges oder digitales Signal darstellt oder der einen Absolutwert darstellt, der die gesamte in dem Akkumulator speicherbare Energie als analoges oder digitales Signal wiedergibt.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Erfassen des aktuellen Lastprofils und das Auslesen der aktuellen Kapazitätsgrösse wiederholt ausgeführt wird und zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schritten des Auslesens der aktuellen Kapazitätsgrösse die Schritte des Erfassens des aktuellen Betriebsparameters des Akkumulators und des Ermitteln des Ladezustands des Akkumulators vielfach wiederholt werden.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Erfassen des aktuellen Betriebsparameters ein wiederholtes, periodisches oder kontinuierliches Messen des gemittelten Stroms oder der gemittelten Spannung umfasst.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Erfassen des aktuellen Betriebsparameters das periodisch durchgeführte Aufsummieren eines am Lade-/Entladeanschluss des Akkumulators gemessenen Werts umfasst und der so aufsummierte Wert nach jedem Auslesen der aktuellen Kapazitätsgrösse auf einen bestimmten Wert zurückgesetzt wird, wobei ein Lastprofil erfasst und eine aktuelle Kapazitätsgrösse ausgelesen wird, wenn Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mindestens ein Lastprofil erfasst und die zugeordnete Kapazitätsgrösse ausgelesen wird, wenn sich zwei aufeinanderfolgend ermittelte Ladezustände um mehr als einen vorbestimmten Schwellwert-Differenzbetrag unterscheiden, wenn eine vorbestimmte Zeitspanne seit dem vorhergehenden Auslesen der Kapazitätsgrösse vergangen, ein Schwellwert für den aufsummierten Wert oder für die Anzahl an erfassten Betriebsparameter überschritten ist, und/oder wenn ein erfasster aktueller Betriebsparameter aus einem vorgegebenenen Toleranzintervall herausfällt.
  10. Elektronische Schaltung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden, mit einem Speicher, der eingerichtet ist, das Kapazität-Parameterfeld zu speichern und ferner eingerichtet ist, die Ladezustand-Tabelle und/oder die Näherungsgleichung oder Parameter, die die Näherungsgleichung definieren, zu speichern, wobei die elektronische Schaltung ferner mindestens einen Eingang, um Signale zu empfangen, die das aktuelle Lastprofil und/oder den aktuellen Betriebsparameter wiedergeben und mindestens einen Ausgang umfasst, der eingerichtet ist, ein Signal ausgeben, das den aktuellen Ladezustand wiedergibt, und wobei die elektronische Schaltung ferner eine Zentralrecheneinheit umfasst, die mit dem Speicher, dem mindestens einen Eingang sowie mit dem mindestens einen Ausgang verbunden ist und die von dem Speicher und dem Eingang vorgesehenen Werte verarbeitet und am Ausgang als Ladezustand ausgibt.
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