DE102007023901A1

DE102007023901A1 - Fahrzeugbatterievorrichtung

Info

Publication number: DE102007023901A1
Application number: DE102007023901A
Authority: DE
Inventors: Markus Dipl.-Phys. Bulling; Florian Gramer; Klaus Dipl.-Ing. Keilhofer
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-05-23
Filing date: 2007-05-23
Publication date: 2008-11-27

Abstract

Es wird eine Fahrzeugbatterievorrichtung, insbesondere für eine Batterie (10) eines Hybridkraftfahrzeugs, mit einer Einheit vorgeschlagen, die dazu vorgesehen ist, wenigstens abhängig von wenigstens einer Prognose wenigstens eine Kenngröße zu begrenzen und/oder einzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft insbesondere eine Fahrzeugbatterievorrichtung.
Aus der DE 103 01 531 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs bekannt. Zur Koordination von Drehmomentanforderungen eines Fahrantriebsstrangs und von Spannungsanforderungen eines Bordnetzes und von mindestens einer Batterie des Bordnetzes wird für die Spannungsanforderungen des Bordnetzes eine Spannungs-Führungsgröße und für die Drehmomentanforderung des Fahrantriebsstrangs eine Drehmoment-Führungsgröße gebildet. Die Spannungs-Führungsgröße wird durch obere und untere Drehmoment-Begrenzungswerte begrenzt, welche bei Änderung der Spannungs-Führungsgröße nicht überschritten oder unterschritten werden dürfen. Die Drehmoment-Führungsgröße wird durch Spannungs-Begrenzungswerte begrenzt, welche bei Drehmomentänderungen nicht überschritten und nicht unterschritten werden dürfen.
Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, einen erhöhten Fahrkomfort zu ermöglichen. Die Aufgabe wird jeweils gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche, wobei weitere Ausgestaltungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.
Es wird eine Fahrzeugbatterievorrichtung, insbesondere für eine Batterie eines Hybridkraftfahrzeugs, mit einer Einheit vorgeschlagen, die dazu vorgesehen ist, wenigstens abhängig von wenigstens einer Prognose wenigstens eine Kenngröße zu begrenzen und/oder einzustellen. Unter einer „Einheit" soll dabei insbesondere eine Einheit mit einer Rechnereinheit und einer Speichereinheit sowie einem darin gespeicherten Betriebsprogramm verstanden werden. Unter einer „Batterie" soll insbesondere eine wiederaufladbare Batterie bzw. ein Akkumulator verstanden werden. Ferner soll unter „vorgesehen" insbesondere speziell ausgestattet, ausgelegt und/oder programmiert verstanden werden. Durch eine entsprechende Ausgestaltung können schnelle batteriebedingte Momentenänderungen verhindert und damit der Komfort gesteigert werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Fahrzeugbatterievorrichtung wenigstens eine Auswerteeinheit aufweist, die dazu vorgesehen ist, eine Prognose für ein Zeitintervall zu erstellen, das kleiner als 1000 ms, vorzugsweise kleiner als 800 ms ist und besonders vorteilhaft eine Größe zwischen 400 und 600 ms aufweist. Unter einer „Auswerteeinheit" soll dabei eine Einheit verstanden werden, die dazu vorgesehen ist, zur Auswertung Informationen zu ermitteln, und insbesondere dazu vorgesehen ist, Kenngrößen aus einem Speicher auszulesen und/oder Kenngrößen zu berechnen. Die Auswerteeinheit weist vorzugsweise hierfür eine Recheneinheit und eine Speichereinheit mit einem darin gespeicherten Betriebsprogramm auf.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass bei einer Vorschau eine Schwellzeit bzw. Übergangszeit berücksichtigt wird, die für eine Änderung einer Momomentenverteilung zwischen einem Elektromotor und wenigstens einem weiteren Motor, insbesondere einer Brennkraftmaschine, erforderlich ist und die grundsätzlich kleiner als 1000 ms ist. Eine wesentliche Aufgabe der Fahrzeugbatterievorrichtung besteht darin, Werte paare für Spannung und Strom bereitzustellen. Diese stellen eine Batterieleistung dar, welche in einem Prognosezeitraum bzw. im Zeitintervall mindestens angefordert werden kann und vorzugsweise für eine Vorsteuerung genutzt werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Fahrzeugbatterievorrichtung wenigstens eine Auswerteeinheit aufweist, die dazu vorgesehen ist, eine Kenngröße für eine Batteriealterung zu ermitteln und/oder eine Batteriealterung zu berücksichtigen, wodurch vorteilhaft ein weiterer wichtiger Faktor berücksichtigt und insbesondere die Prognosegenauigkeit erhöht und auch frühzeitig ein anstehender Ausfall erkannt werden kann.
Die Kenngröße für die Batteriealterung kann dabei durch verschiedene Verfahren ermittelt werden, besonders vorteilhaft ist die Auswerteeinheit jedoch dazu vorgesehen, die Kenngröße für die Batteriealterung zumindest abhängig von einer Widerstandskenngröße zu ermitteln, wodurch eine einfache und exakte Ermittlung erreichbar ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Fahrzeugbatterievorrichtung wenigstens eine Auswerteeinheit aufweist, die dazu vorgesehen ist, eine Prognose für eine Momentenkenngröße zu erstellen, die vorzugsweise von einer Momentenänderung gebildet ist, wodurch der Komfort weiter erhöht werden kann.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Auswerteeinheit wenigstens eine gespeicherte Widerstandskenngröße aufweist und/oder dazu vorgesehen ist, eine Widerstandskenngröße zu bestimmen. Dabei soll unter „bestimmen" insbesondere verstanden werden, dass die Auswerteeinheit dazu vorgesehen ist, zur Ermittlung der Widerstandskenngröße Informationen bzw. Kenngrößen aus einem Speicher auszulesen und/oder Kenngrößen zu berechnen.
Mittels einer entsprechenden Widerstandskenngröße kann einfach und schnell eine exakte Vorschau ermittelt werden, und zwar insbesondere, wenn bei der Widerstandskenngröße zumindest im Wesentlichen ein Modellkonstantinnenwiderstand und ein Modell-RC-Glied, das einen schnellen Ladungsdurchtritt charakterisiert, zusammengefasst sind.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Dabei zeigen:
1 eine schematisiert dargestellte Fahrzeugbatterievorrichtung eines Hybridfahrzeugs,
2 eine Herleitung eines Berechnungsmodells und
3 einen Zusammenhang zwischen einer Innenwiderstandsberechnung und einer Nachführung eines Innenwiderstandsgradienten.
1 zeigt eine schematisiert dargestellte Fahrzeugbatterievorrichtung eines Hybridfahrzeugs mit einer Batterieeinheit 13, die eine wiederaufladbare Batterie 10 bzw. einen Akkumulator und eine Batteriemanagementeinheit 14 umfasst. Die Batteriemanagementeinheit 14 umfasst eine Prozessoreinheit 15 und eine Speichereinheit 16 mit einem darin gespeicherten Betriebsprogramm.
Die Batterieeinheit 13 ist über eine Datenleitung 17 mit einer Motorsteuerungseinheit 18 verbunden. Die Motorsteuerungseinheit 18 umfasst eine Energiemanagementeinheit, die eine Auswerteeinheit 11 der Fahrzeugbatterievorrichtung bildet.
Ferner umfasst die Motorsteuerungseinheit 18 eine Momentenkoordinationseinheit 19, die insbesondere dazu vorgesehen ist, einen beispielsweise über ein Fahrpedal eingegebenen Fahrerwunsch durch eine vorteilhafte Momentenkoordination bzw. Momentenzuordnung zu einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine und zu einem Elektromotor 12 eines Hybridantriebs des Hybridfahrzeugs umzusetzen. Die Energiemanagementeinheit und die Momentenkoordinationseinheit 19 weisen jeweils eine Prozessoreinheit 21, 22 und eine Speichereinheit 23, 24 mit darin gespeicherten Betriebsprogrammen auf. Grundsätzlich ist jedoch auch denkbar, dass die beiden Einheiten 11, 19 zumindest teilweise einstückig ausgeführt sind, d. h. z. B. eine gemeinsame Speichereinheit und/oder eine gemeinsame Prozessoreinheit aufweisen.
Die Motorsteuerungseinheit 18 ist über eine Leitung 25 mit einer Spannungswandlungseinheit 26 bzw. mit einer DC-DC-Spannungswandlereinheit verbunden, die dazu vorgesehen ist, eine höhere Spannung in eine niedrigere Spannung umzuwandeln. Ferner ist die Motorsteuerungseinheit 18 über eine Leitung 27 mit einer Elektromotoreinheit 28 verbunden, die den Elektromotor 12 des Hybridantriebs und eine Leistungselektronikeinheit 29 umfasst, die eine Prozessoreinheit 30 und eine Speichereinheit 31 mit einem darin gespeicherten Betriebsprogramm umfasst.
Die Auswerteeinheit 11 ist dazu vorgesehen, eine Prognose für ein Zeitintervall bzw. für einen Vorausschauzeitraum von 500 ms zu erstellen. Für die Prognose wird ein Modellkonstantinnenwiderstand R_i und ein Modell-RC-Glied RC₁ eines Ersatzschaltbilds nach RANDLES bei einem erfindungsgemäßen Berechnungsmodell zu einer Widerstandskenngröße R_i,500ms zusammengefasst, die einen Widerstandswert 500 ms nach Aufschalten einer Maximallast an der Batterie 10 darstellt (2).
Schnelle Batterieeffekte sind nach dem Zeitintervall von 500 ms schon fast vollständig abgelaufen und bestimmen einen weiteren Verlauf einer Spannungskurve nur noch minimal. Diese wird vor allem von einem langsameren Diffusionsverhalten beeinflusst, das vor allem im Falle von länger oder wiederholt anliegenden Strömen den Spannungsverlauf prägt.
Da diese langsamen Prozesse jedoch für eine erfindungsgemäße dynamische Prognose mit einem Vorausschauzeitraum von 500 ms nur eine untergeordnete Rolle spielen, wird ein zweites Modell-RC-Glied RC₂ des Ersatzschaltbilds nach RANDLES in dem Berechnungsmodell durch eine Spannungsquelle U_pol ersetzt, die einer Ruhespannung U_OCV der Batterie 10 entgegenwirkt.
Die Fahrzeugbatterievorrichtung wird in einer Strombegrenzung betrieben, wenn ein maximal zulässiger Batteriestrom I_max aufgeschaltet werden kann und wird. Bei einer Prognose für eine Strombegrenzung wird ein zu einem Maximalstrom I_max korrespondierender Batteriespannungswert U_Batt berechnet.
Um eine prognostizierte Batteriespannung U_Batt,prog, die sich an Klemmen der Batterie 10 einstellt, zu prognostizieren, benötigt man mit Hilfe des Modellansatzes gemäß 2 eine Ruhespannung U_OCV der Batterie 10, einen Spannungsabfall U_Ri500,prog am Batterieinnenwiderstand R_i500ms nach 500 ms sowie eine prognostizierte Polarisationsspannung U_pol,prog, welche einen Versatz der Ruhespannung U_OCV von einer Gleichgewichtsruhespannung bewirkt gemäß nachfolgender Gleichung:
Dabei wird die prognostizierte Polarisationsspannung U_pol,prog in einer nachfolgenden Gleichung definiert. Upol,prog = Upol + ΔUpol (Gleichung 2) mit U_pol = U_batt – U_OCV – I_BattR_i500ms (Gleichung 3) ergibt sich: Upol,prog = UBatt – UOCV – IBattRi500ms + ΔUpol (Gleichung 4)
Fasst man weiter die Ruhespannung U_OCV und die prognostizierte Polarisationsspannung U_pol,prog zu einer Spannung U_OCV,prog zusammen, erhält man folgende Gleichung: UOCV,prog = UOCV + Upol,prog = UBatt – IBattRi,500ms + ΔUpol (Gleichung 5)
Setzt man die Gleichung 4 in die Gleichung 1 ein, erhält man folgende Prognosegrundgleichung: UBatt,prog = UBatt – IBattRi500ms + ΔUpol + URi500ms,prog (Gleichung 6)
Durch den Wegfall der Ruhespannung U_OCV in der Berechnung kann ein Einflussfaktor eliminiert werden, der potentiell zu Fehlern führt. Divergiert nämlich ein Stromintegral, mit welchem ein Ladezustand SOC der Batterie 10 bestimmt wird, so wird die Ruhespannung U_OCV falsch ausgegeben. Dieser Einfluss entfällt, wenn man sich anstelle auf die Ruhespannung U_OCV auf die direkt messbare Klemmspannung U_Batt der Batterie 10 bezieht.
Die Polarisationsspannung U_pol weist einen Innenwiderstandsgradienten auf, der in guter Näherung gleich einer Änderung der Klemmspannung U_Batt ist. Eine Änderung der Ruhespannung U_OCV hat einen vernachlässigbar geringen Einfluss, da sich der Ladezustand der Batterie 10 innerhalb des Prognosezeitraums um maximal 0,4% ändert. Der Innenwiderstandsgradient wird für die Prognose als konstant angenommen und ist linear abhängig von einer Änderung des Innenwiderstands R_i. Damit ergibt sich: ΔUpol = tprog·Iprog·dRi/dt (Gleichung 7)
Der Innenwiderstand R_i500ms und der Innenwiderstandsgradient dR_i/dt bzw. ΔR_i sind jeweils als Tabelle bzw. als Tabellenformat in der Speichereinheit 23 abgelegt und werden aus den Tabellen ausgelesen. Die Tabellen halten abhängig von einem Ladezustand SOC der Batterie 10 und einer Batterietemperatur T_Batt Einträge vor, und zwar vorzugsweise Einträge für einen Ladevorgang und differenzierte Einträge für einen Entladevorgang (4). Die Einträge sind im Labor bestimmt und sind bei geringem Aufwand in einer vorliegenden Implementierung sehr verlässlich – vor allem, wenn ein Mechanismus zu einer Kompensation einer Alterung vorgesehen ist. Grundsätzlich wäre jedoch auch denkbar, dass der Innenwiderstandsgradient dR_i/dt bzw. ΔR_i online bestimmt wird, und zwar indem der Innenwiderstand R_i ständig berechnet wird und dessen Änderung bestimmt wird.
Der prognostizierte Spannungsabfall U_Ri500ms,prog wird folgendermaßen berechnet: URi500ms,prog = Iprog·Ri500ms (Gleichung 8)
Werden die Gleichungen 7 und 8 in die Gleichung 6 eingesetzt ergibt sich folgende Berechnungsgleichung: UBatt,prog = UBatt – IBattRi500ms + tprog·Iprog·dRi/dt + Iprog·Ri500ms (Gleichung 9)
Mit der Gleichung 9 kann nun eine zuverlässige Spannungsprognose für einen gegebenen Strom durchgeführt werden bzw. kann ein zu einem Maximalstrom I_max korrespondierender Batteriespannungswert U_Batt berechnet werden. Dabei werden die Klemmspannung U_Batt und der Strom I_Batt gemessen, der Innenwiderstand R_i500ms und der Innenwiderstandsgradient dRi/dt aus Ta bellen ausgelesen, die Zeit t_prog auf 500 ms und der Strom I_prog auf den Maximalstrom I_max gesetzt.
Voraussetzung ist dabei eine Einhaltung von vorgegebenen Spannungsgrenzen U_Batt,Grenz, auch wenn der Maximalstrom I_max bzw. der maximale Batteriestrom angefordert wird.
Wird bei der Prognose eine der Spannungsgrenzen U_Batt,Grenz erreicht oder überschritten, so wird mittels der Energiemanagementeinheit der Prognosestrom I_prog bzw. I_max reduziert, bis die erwartete Spannung wieder innerhalb der Grenzen liegt. Im Prognosealgorithmus kommt somit eine Fallunterscheidung zum Einsatz, die abhängig von den berechneten Spannungswerten umschaltet. Wenn die prognostizierte Spannung eine vorgegebene obere oder eine vorgegebene untere Spannungsgrenze überschreitet, wird diese Spannungsgrenze als Prognosespannung ausgegeben. Der dazugehörige Strom I_max* berechnet sich aus der Grenzspannung U_Grenz und der prognostizierten Ruhespannung U_OCV,prog, dem Innenwiderstand R_i500ms sowie dessen Änderung t_prog·dR_i/dt bzw. mit dem Innenwiderstandsgradient dR_i/dt nach folgender Formel:
Dabei wird die Grenzspannung U_Grenz entweder von der oberen Grenzspannung U_max oder von der unteren Grenzspannung U_min gebildet. Die prognostizierte Ruhespannung U_OCV,prog kann damit gemäß der Gleichung 5 ermittelt werden.
Durch eine Zurücknahme des Stroms, bevor eine Spannungsgrenze überschritten wird, wird eine sehr robuste Vorhersage geschaffen. Mit einem Versatz von 500 ms kann der Momentenkoordinationseinheit 19 eine aus der Begrenzung resultierende Einschränkung eines elektrischen Moments gemeldet werden. Es steht der gesamte Prognosezeitraum zur Verfügung, um eine Lastpunktverschiebung einzuleiten, falls dies notwendig wird. Handelt es sich um eine rekuperative Bremsung, so steht derselbe Zeitraum zur Verfügung, um zusätzliches Bremsmoment hydraulisch aufzubauen, bevor ein elektrisches Bremsmoment wegfällt.
Zusätzlich zu einer Berechnung wird eine Plausibilisierung durchgeführt, die eine fehlerhafte Bestimmung aufgrund von ungenauen Widerstandswerten oder Messfehlern kompensiert. So darf eine erwartete Leerlaufspannung nicht sinken, wenn eine Klemmenspannung steigt und umgekehrt.
Um die Fahrzeugbatterievorrichtung in einem spannungsgeführten Lademodus zu betreiben, benötigt die Momentenkoordinationseinheit 19 einen zuverlässigen Prognosewert eines sich einstellenden Drehmoments zu einer bestimmten Ladespannung. Dabei wird analog zur Prognose zur Strombegrenzung eine Prognose durchgeführt. Jedoch wird hier ein Spannungswert vorgegeben, zu dem ein korrespondierender Strom bestimmt wird. Wenn dieser einen maximal zulässigen Ladestrom überschreitet, werden der maximal zulässige Ladestrom und eine sich bei diesem einstellende Batteriespannung zurückgegeben.
Zusätzlich zu der dynamischen Prognose wird eine so genannte statische Leistungsprognose durchgeführt, bei der eine Prognose für eine von einer Momentenänderung gebildete Momentenkenngröße Ṁ_EM,prog erstellt wird. Hierbei greifen noch weitere Randbedingungen, durch die die zugrunde liegenden Strom- und Spannungswerte eingeengt werden. Dabei wird aus einer prognostizierten Leistung (U_Batt,prog·I_Batt,prog) und einer augenblicklichen Motordrehzahl f_EM des Elektromotors 12 ein prognostiziertes Drehmoment M_EM,prog des Elektromotors 12 berechnet, und zwar gemäß nachfolgender Gleichung:
Eine Ableitung davon ergibt die Momentenkenngröße Ṁ_EM,prog, dessen Absolutwert im normalen Fahrbetrieb mittels der Energiemanagementeinheit begrenzt ist. Der maximale Absolutwert ist auf 50 Nm/s bei konstanter Drehzahl festgelegt, was mit einem Antwortverhalten der Brennkraftmaschine korrespondiert. Die maximale Momentenänderung muss von der Brennkraftmaschine für Fahrzeugpassagiere unmerklich ausgeregelt werden können.
In der Gleichung 11 wird der Wirkungsgrad η_Motor des Elektromotors 12 zur Vereinfachung als eins angenommen. Werden beide Seiten der Formel nach der Zeit abgeleitet, so ergibt sich ein Zusammenhang zwischen der Momentenänderung bzw. der Momentenkenngröße Ṁ und einer Leistungsänderung Ṗ_Batt der Batterie 10. Um einen Einfluss der Innenwiderstandsänderung zu berücksichtigen, wird zwischen einer Maximalleistungsprognose in einem Spannungsbegrenzungsmodus und in einem Strombegrenzungsmodus unterschieden.
Wird die Batterie 10 in dem Strombegrenzungsmodus betrieben, so ist der von der Batterie 10 gelieferte Strom I_Batt gleich dem maximalen Strom I_Batt,max und die Batteriespannung U_Batt hängt von der Ruhespannung U_OCV und von dem Innenwiderstand R_i ab. Das Moment M_EM,prog des Elektromotors 12 errechnet sich damit nach folgender Gleichung.
Der Innenwiderstand R_i der Batterie 10 bezeichnet eine zeitabhängige Impedanz, die deshalb ebenfalls mit nach der Zeit abgeleitet werden muss. Wird diese Formel zunächst nach dem Innenwiderstand R_i,500ms aufgelöst und dann nach der Zeit abgeleitet, so ergibt sich nachfolgende Formel:
Für die kleinste Drehzahl n_EM = 600 min^–1 errechnet sich aus der Forderung |Ṁ_EM,prog| < 50 Nm/s eine maximale Innenwiderstandsänderungsrate von etwa 2 mΩ/s pro Zelle der Batterie 10. In folgenden Rechnungen wird immer vom Sonderfall Ṁ_EM,prog > –50 Nm/s ausgegangen, da es sich dabei um das realistische Verhalten handelt. Für neue Batterien wird dieser Wert im gesamten Betriebstemperaturbereich grundsätzlich unterschritten. Für den Fall der Strombegrenzung kann das Kriterium des Momentengradienten also erfüllt werden. Altert die Batterie 10 jedoch oder wird sie bei tiefen Temperaturen betrieben, so kann der Gradient des Innenwiderstands R_i größer als der maximal zulässige werden. Ist dies der Fall, so darf nur ein verminderter Strom aufgeschaltet werden, bei dem der Momentengradient die Grenzbedingung erfüllt. Wird die Gleichung 13 nach dem Strom I_Batt,max aufgelöst, ergibt ich folgende Gleichung:
Mit Ṙ_i kann ein maximaler Batteriestrom I_Batt,max bestimmt werden. Dieser kann für die Leistungsprognose verwendet werden, welche genauso ausgebildet ist, wie die dynamische Leistungsprognose. Es wird nur ein von der Änderungsrate des Innenwiderstands R_i abhängiger Maximalstrom I_max für die Prognose eingesetzt. Dabei gilt die Gleichung 13 ebenso für die Begrenzung einer Ladungsprognose.
Im Spannungsbegrenzungsmodus bzw. in einer Spannungsbegrenzung ist die Batteriespannung U_Batt auf eine Minimalspannung limitiert, die dadurch eingestellt wird, dass der Strom I_Batt an den augenblicklichen Innenwiderstand R_i, die Ruhespannung U_OCV und die Spannungsgrenze U_Batt,Grenz angepasst wird. Der Strom I_Batt ist in diesem Fall die Differenz aus der Ruhespannung U_OCV und einer Minimalspannung U_Batt,min geteilt durch den Innenwiderstand R_i. Daraus lässt sich nachfolgende Gleichung für das prognostizierte Motormoment M_EM,prog im Spannungsbegrenzungsmodus ableiten.
Werden alle Veränderlichen nach der Zeit abgeleitet, so ergibt sich folgende Gleichung:
Die Gleichung 16 lässt sich zu einer nachfolgenden binomischen Gleichung umschrieben:
Aus Gleichung 17 ergibt sich:
Wird das Plus vor der Wurzel durch ein Minus ersetzt, sind die Ergebnisse stets kleiner als die halbe prognostizierte Ruhespannung U_OCV,prog. Damit kann aus der Gleichung 18 folgende Gleichung abgeleitet werden, die eine Lösungsgleichung für die Mindestspannung U_Batt,min des statischen Falls darstellt:
Eine Begrenzung einer Maximalspannung U_Batt,max für einen Ladevorgang wird analog zu einer Begrenzung der Minimalspannung U_Batt,min durchgeführt. Ihre Bestimmungsgleichung lautet:
Bei einer Implementierung werden die Wurzelwerte vorzugsweise aus einer Tabelle ausgelesen und es wird zwischen Stützstellen eine lineare Interpolation vorgenommen. Dies stellt eine ressourcenschonende Umsetzung dar, deren Ungenauigkeit im Rahmen von Komfortgrenzen nicht ins Gewicht fällt.
Die Prognosen kommen mit zwei Parametern aus, und zwar mit dem Innenwiderstand R_i,500ms und mit dem Innenwiderstandsgradient dR_i/dt. Die Parameter können sich mit der Alterung der Batterie 10 bzw. verbauter Zellen ändern und sind zudem leicht stromabhängig. Erfindungsgemäß ist die Auswerteeinheit 11 dazu vorgesehen, Kenngrößen bzw. Korrekturfaktoren k, l, SOH für eine Batteriealterung zu ermitteln und die Batteriealterung zu berücksichtigen.
Eine Nachführung der Parameter erfolgt basierend auf dem vorgestellten Berechnungsmodell. Für den Innenwiderstand R_i gilt folgende Gleichung:
U_Ri kann durch eine Messung nicht direkt bestimmt werden, da keine Kenntnis um eine Diffusionsspannung in der Batterie 10 vorliegt. Deswegen wird ein Spannungsabfall betrachtet, welcher während des Prognosezeitraums eintritt: URi = UBatt(t) – UBatt(t – 500 ms) (Gleichung 22)
Zu diesem Spannungswert korreliert die Stromänderung: ΔIBatt = IBatt(t) – (t – 500 ms) (Gleichung 23)
Die Gleichung 21 kann damit wie folgt geschrieben werden:
Aus dem Tabellenwert des Innenwiderstands R_i500ms und dem neu berechneten Wert R_i,korr wird ein Korrekturfaktor k gebildet. Der Korrekturfaktor k wird resistent in der Speichereinheit 23 der Motorsteuerungseinheit 18 bzw. der Energiemanagementeinheit abgelegt, so dass nach einem Neustart korrigierte Tabellenwerte zur Verfügung stehen und mit Hilfe des Korrekturfaktors die Batteriealterung vorteilhaft ausgeglichen werden kann. Anstelle eines Korrekturfaktors bzw. eines Korrekturwerts könnte auch ein Vektor berechnet werden, welcher Korrekturdaten für bestimmte Temperaturbereiche enthält, wodurch noch eine verbesserte Anpassung erreicht werden könnte. Fer ner ist denkbar, dass korrigierte Widerstandswerte unmittelbar in einen Speicher abgelegt werden.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden Korrekturfaktoren k für verschiedene Temperaturbereiche bestimmt, welche unabhängig von einem Ladezustand der Batterie 10 zur Anwendung kommen. Demnach wird eine Innenwiderstandskurve als Ganzes verschoben, anstelle jede Stützstelle neu zu berechnen.
Eine Nachführung des Innenwiderstandsgradienten dR_i/dt ist an den Absolutwert des Innenwiderstands R_i,korr gekoppelt. Es wird mithilfe einer Tabellensuche 32 ein Korrekturfaktor l bestimmt, der mit dem augenblicklich verwendeten Korrekturfaktor k für den Innenwiderstand R_i,500ms korreliert. Dabei werden Verstärkungsfaktoren eines Reglers in Abhängigkeit von vorliegenden Betriebszuständen ausgewählt. Die Faktoren werden vor Inbetriebnahme der Fahrzeugbatterievorrichtung bzw. des Systems identifiziert und für die jeweilige Situation optimiert. Im Fall des vorliegenden Ausführungsbeispiels werden verschiedene Änderungsraten im Labor bestimmt, welche mit der Abweichung vom ursprünglichen Innenwiderstand R_i,500ms in Beziehung gesetzt werden. Wird also die Alterung der Batterie 10 dadurch erkannt, dass sich der Korrekturfaktor k des Innenwiderstands R_i,500ms ändert, so wird der zu erwartende Innenwiderstandsgradient dR_i/dt entsprechend nachgeführt.
Zur Berechnung des Innenwiderstands R_i,korr wird eine gewisse Schwellzeit für den Strom I_Batt toleriert, um zu berücksichtigen, dass eine Last nicht sofort und konstant anliegt. Wird ein ausreichend großer Stromgradient detektiert, startet ein Timer mit einer Toleranzzeit. Während dieser Timer läuft, muss der Strom I_Batt einen Grenzwert erreicht haben, welcher das Erreichen einer Maximalleistung darstellt und muss 500 ms unterhalb dieses Grenzwerts verweilen. Dieses Verweilen wird durch einen weiteren Timer dargestellt, bei dessen Ablauf die Berechnung des korrigierten Innenwiderstands R_ikorr stattfindet. Dazu werden die Werte herangezogen, welche gespeichert wurden, als der erste Timer gestartet wurde.
Der korrigierte Innenwiderstandswert R_ikorr und der korrigierte Innenwiderstandsgradient dR_i/dt_korr bzw. ΔR_ikorr werden zudem dazu genutzt, eine Bewertung der Batterie 10 durchzuführen. Dazu bietet sich ein Indikator bzw. eine Kenngröße SOH an, die beispielhaft eine Skala von 1 bis 10 darstellt. Dabei bedeutet 1 einen Ausfall der Batterie 10 und 10 eine neue Batterie 10.
Eine kritische Funktion der Batterie 10, deren Ausfall einen Ersatz der Batterie 10 nach sich zieht, ist eine Bereitstellung einer Kaltstartleistung. Für eine weitere Betrachtung wird folgende Kaltstartsituation angenommen: Bei einem Ladezustand von 50% und einer Batterietemperatur von –25°C muss eine Leistung von 5 KW 5 Sekunden lang zur Verfügung stehen. Dabei ist zu beachten, dass die entsprechenden Werte insbesondere abhängig von einer verwendeten Batterie und einer vorliegenden Brennkraftmaschine variieren können.
Für die Bestimmung des Indikators SOH wird das System in seinen Spannungsgrenzen betrachtet. Dies liegt daran, dass die Batterie 10 bei niedrigen Temperaturen einen so hohen Innenwiderstand R_i aufweist, dass sich der Batteriestrom I_Batt unter Maximallast viel kleiner als der zulässige Maximalstrom I_Battmax einstellt. Dieser wird in der Kaltstartsituation nicht erreicht werden, weshalb eine Betrachtung des Systems in der Strombegrenzung nicht erforderlich ist. Die Kaltstartleistung nach 5 Sekunden ist wie folgt bestimmt:
Werden die Faktoren k, l mit einbezogen, kann die Gleichung 25 wie folgt geschrieben werden:
Der Indikator SOH wird hier definiert als ein Quotient aus tatsächlich verfügbarer Leistung und einer minimalen Kaltstartleistung:
Wird die Gleichung 27 nach k aufgelöst, so ergibt sich:
Auf diese Weise wird vor Inbetriebnahme des Fahrzeugs der Korrekturfaktor k bestimmt, für den der minimale SOH-Wert ausgegeben werden muss. Wird der maximale SOH-Wert eingesetzt, so kann man mit dem minimalen und dem so berechneten maximalen Korrekturfaktor k die Skala für den Indikator SOH aufspannen.
Auf diese Weise wird der zur Alterungskompensation berechnete Korrekturfaktor k des Innenwiderstands R_i herangezogen, um den Zustand der Batterie 10 zu bewerten. Der Indikator SOH kann im Rahmen eines Fahrzeugservices ausgelesen werden, um so abzuschätzen, ob eine Notwendigkeit eines Batterietausches besteht. Besitzt die Batterie 10 noch eine ausreichende Leistungsreserve, kann diese bis zur nächsten Untersuchung im Fahrzeug verbleiben. So werden unnötige Wechsel der Batterie 10 vermieden und gleichzeitig wird eine Kaltstartverfügbarkeit sichergestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10301531 A1 [0002]

Claims

Fahrzeugbatterievorrichtung, insbesondere für eine Batterie (10) eines Hybridkraftfahrzeugs, mit einer Einheit, die dazu vorgesehen ist, wenigstens abhängig von wenigstens einer Prognose wenigstens eine Kenngröße zu begrenzen und/oder einzustellen.
Fahrzeugbatterievorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens eine Auswerteeinheit (11), die dazu vorgesehen ist, eine Prognose für ein Zeitintervall zu erstellen, das kleiner als 1000 ms ist.
Fahrzeugbatterievorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (11) dazu vorgesehen ist, eine Prognose für ein Zeitintervall zu erstellen, das kleiner als 800 ms ist.
Fahrzeugbatterievorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine Auswerteeinheit (11), die dazu vorgesehen ist, eine Kenngröße (SOH) für eine Batteriealterung zu ermitteln und/oder eine Batteriealterung zu berücksichti gen.
Fahrzeugbatterievorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (11) dazu vorgesehen ist, die Kenngröße (SOH) für die Batteriealterung zumindest abhängig von einer Widerstandskenngröße (R_i,500ms) zu ermitteln.
Fahrzeugbatterievorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine Auswerteeinheit (11), die dazu vorgesehen ist, eine Prognose für eine Momentenkenngröße (Ṁ_EM,prog) zu erstellen.
Fahrzeugbatterievorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Momentenkenngröße (Ṁ_EM,prog) von einer Momentenänderung gebildet ist.
Fahrzeugbatterievorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (11) wenigstens eine gespeicherte Widerstandskenngröße (R_i,500ms, ΔR_i) aufweist und/oder dazu vorgesehen ist, wenigstens eine Widerstandskenngröße (R_i,500ms,korr, ΔR_i,korr) zu bestimmen.
Fahrzeugbatterievorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Widerstandskenngröße (R_i,500ms) zumindest im Wesentlichen ein Modellkonstantinnenwiderstand (R_i) und ein Modell-RC-Glied (RC₁) zusammengefasst sind.
Verfahren mit einer Fahrzeugbatterievorrichtung, insbesondere mit einer Fahrzeugbatterievorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens abhängig von wenigstens einer Prognose wenigstens eine Kenngröße begrenzt und/oder eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Prognose für ein Zeitintervall erstellt wird, das kleiner ist als 1000 ms.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kenngröße (k, l, SOH) für eine Akkumulatoralterung ermittelt und/oder eine Akkumulatoralterung berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kenngröße (k, l, SOH) für die Akkumulatoralterung zumindest abhängig von einer Widerstandskenngröße (R_i,500ms) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Prognose für eine Momentenkenngröße (Ṁ_EM,prog) erstellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Widerstandskenngröße (R_i,500ms, ΔR_i, R_i,500ms,korr, ΔR_i,korr) verwendet und/oder bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Widerstandskenngröße (R_i,500ms) verwendet und/oder bestimmt wird, bei der zumindest im Wesentlichen ein Modellkonstantinnenwiderstand (R_i) und ein Modell-RC-Glied (RC₁) zusammengefasst sind.