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Verfahren
und Vorrichtung zur Ermittlung einer mit dem Batterieladezustand
korrelierenden Zustandsgröße einer Kraftfahrzeugbatterie
unter Verwendung eines selbstlernenden Batteriemodells
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung
einer mit dem Batterieladezustand korrelierenden Zustandsgröße
einer Kraftfahrzeugbatterie, beispielsweise der Ruhespannung der
Kraftfahrzeugbatterie.
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Stand der Technik
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Es
sind bereits Algorithmen zu einer Erkennung des Zustands einer Batterie
bekannt, bei welchen unter Verwendung einer mit der Batterie kontaktierten
Batteriesensorik der Batterieladezustand (SOC = state of charge)
ermittelt wird. Im Rahmen vieler Algorithmen kommt ein Verfahren
zur Abschätzung der Ruhespannung U00 der Batterie zum Einsatz.
Bei diesem Verfahren wird während der Ruhephasen des Kraftfahrzeugs
die Spannung, die sich bei unbelasteter Batterie nach sehr langer
Zeit einstellen würde, abgeschätzt. Während
dieser Ruhephasen des Kraftfahrzeugs ist der Motor des Kraftfahrzeugs
ausgeschaltet. Es liegen aber sogenannte Ruhestromverbraucher vor,
die auch in den Ruhephasen des Kraftfahrzeugs einen kleinen Belastungsstrom
verursachen. Die genannte Ruhespannung ist im Fahrzeug nicht direkt
messbar. Sie ist mit dem Ladezustand der Batterie korreliert.
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Die
genannten bekannten Verfahren zur Abschätzung der Ruhespannung
werten üblicherweise Spannungs-, Strom- und Temperaturmesswerte
aus, die in einer Ruhephase des Kraftfahrzeugs im Abstand von einer
oder mehreren Stunden wiederholt erfasst werden. Bisherige derartige
Verfahren setzen voraus, dass der Ruhestrom im Kraftfahrzeug eine Schwelle
von 500 mA nicht überschreitet. In neueren Kraftfahrzeugen
gibt es allerdings zunehmend elektrische Verbraucher, die auch in
den Ruhephasen des Kraftfahrzeugs die Batterie erheblich belasten. Dies
gilt beispielsweise für die Störpulse einer Luftfederung
oder für schlüssellose Zugangssysteme.
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Diese
kurzen Strombelastungen verfälschen die zur Ruhespannungsberechnung
herangezogenen Spannungsmesswerte. Um dies zu verhindern, wird bei
bekannten Verfahren eine kontinuierliche Stromüberwachung
der Sensorik durchgeführt, welche das Ziel hat, die genannten
Störpulse zu erkennen, um einer Verfälschung der
Spannungsmessung durch diese Störpulse entgegenwirken zu
können. Beispielsweise kann beim Erkennen derartiger Störpulse
in einer Ruhephase die Ruhespannungsbestimmung in dieser Ruhephase
vollständig verworfen werden.
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Die
genannte kontinuierliche Stromüberwachung erfordert jedoch
einen hohen elektronischen Aufwand, ist deshalb mit hohen Kosten
verbunden und führt auch zu einem hohen Eigenstrombedarf
der verwendeten Sensorik.
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Aus
der
DE 10 2005
015 727 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung der Ruhespannung
einer Speicherbatterie bekannt, bei welchem Betriebsparameter der
Speicherbatterie in der Ruhephase bestimmt werden und bei welchem
des Weiteren die Ruhespannung mittels einer in Abhängigkeit
von den Betriebsparametern ausgewählten Ruhespannungsermittlungsroutine
ermittelt wird. Als Betriebsparameter werden insbesondere die aktuelle
Ruhezeit, der Ruhestrom und die Ladung der Deltakapazität
der Speicherbatterie verwendet. Ruhespannungsermittlungsroutinen,
die verwendet werden, sind eine Ermittlung der Ruhespannung mit
einer die Polarisation der Speicherbatterie berücksichtigenden
Routine, eine Ermittlung der Ruhespannung mit einer SOC-Nachführung über
eine Stromintegration, eine Ermittlung der Ru hespannung unter Verwendung
einer Extrapolation der Batteriespannung und einer Berücksichtigung
der Polarisation der Speicherbatterie sowie eine Ermittlung der
Ruhespannung unter Verwendung ausschließlich einer Extrapolation
der Batteriespannung. Dabei wird der Verlauf der gemessenen Batteriespannungswerte
genutzt und es erfolgt eine Extrapolation der gemessenen Batteriespannungswerte
auf einen stationären Wert U00. Dieser Ruhespannungswert
U00 gibt die Klemmenspannung bei 25°C, 0 A und unendlich
langer Ruhezeit an. Da die gemessene Klemmenspannung der Batterie
temperaturabhängig ist, wird nach der Extrapolation die
Temperaturabhängigkeit der Ruhespannung kompensiert. Zusätzlich
tritt im Falle eines Entladestroms eine Polarisationsspannung auf,
die ebenfalls kompensiert wird.
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Bei
diesem bekannten Verfahren wird die genannte Kompensation der Ruhespannung
bezüglich der Temperatur und des Ruhestromes (Polarisationsspannung)
nach der Extrapolation der gemessenen Batteriespannungswerte auf
den stationären Wert durchgeführt. Dies hat zur
Folge, dass eine starke Temperaturänderung einer in Ruhe
befindlichen Batterie eine Änderung der Klemmenspannung
verursacht, die als Einschwingvorgang einer nicht in Ruhe befindlichen
Batterie interpretiert wird. Die auf diese Weise ermittelte Ruhespannung
ist demzufolge stark fehleranfällig bzw. fehlerbehaftet.
Dasselbe gilt im Falle von Änderungen des Ruhestromes (Polarisationsspannung)
und bei einer langsamen Entladung der Batterie. In all diesen Fällen
kann eine Veränderung der Klemmenspannung entstehen, die
fälschlicherweise als Einschwingvorgang interpretiert wird und
Fehler verursachen kann. Diese Effekte treten auch bei einer nicht
in Ruhe befindlichen Batterie auf und überlagern sich mit
dem eigentlichen Einschwingvorgang.
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Voraussetzung
für eine genaue Ermittlung der Ruhespannung U00 ist, dass
Kennlinien mit stationärer Charakteristik der Polarisationen
für jede Batterie fest hinterlegt sind. Diese Kennlinien
sind fest vorgegeben, so dass Alterungseinflüsse oder Abweichungen
einer jeweils vorliegenden Einzelbatterie von einer vorgegebenen
Kennlinie oder nicht-stationäre Polarisationen zu Ungenauigkeiten bei
der Ermittlung der Ruhespannung U00 führen.
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Von
der Anmelderin ist bereits ein Verfahren bekannt, gemäß welchem
in der Aktivphase eines Kraftfahrzeugs ein hinterlegtes Batteriemodell
mit Parametern und Zustandsgrößen auf Basis einer Batteriespannungs-,
Batteriestrom- und Batterietemperaturmessung an das reale Verhalten
der Batterie angepasst wird. Zu den Zustandsgrößen
gehören die Ruhespannung und Polarisationsspannungen. Zu den
Parametern gehört beispielsweise der Innenwiderstand der
Batterie. Dieses bekannte Selbstlernverfahren erlaubt eine individuelle
Gewichtung der Lerngeschwindigkeit der einzelnen Zustandsgrößen und
Parameter.
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Aus
der
DE 10 2004
035 858 A1 der Anmelderin ist ein Zustands- und Parameterschätzer
mit Integral- und Differentialanteil für elektrische Energiespeicher
bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren zum Ermitteln von Zustandsgrößen
und/oder Parametern eines mathematischen Energiespeichermodells,
welches die elektrischen Eigenschaften des Energiespeichers anhand
verschiedener Zustandsgrößen und Parameter beschreibt,
weist das Energiespeichermodell Korrekturgleichungen auf. Mittels dieser
Korrekturgleichungen werden die Zustandsgrößen
und/oder die Parameter korrigiert und auf das tatsächliche
Betriebsverhalten des Energiespeichers abgeglichen. Dabei werden
der absolute Fehler zwischen einer gemessenen Batterie-Betriebsgröße
und einer vom Energiespeichermodell berechneten Batterie-Betriebsgröße,
ein differenzierter Anteil dieses Fehlers und ein integrierter Anteil
dieses Fehlers berechnet. Des Weiteren werden der proportionale
Anteil, der differenzierte Anteil und der integrierte Anteil jeweils
mit einem Gewichtungsfaktor gewichtet. Die gewichteten Anteile werden
zur Korrektur der Zustandsgrößen und/oder der
Parameter in das Energiespeichermodel rückgekoppelt.
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Vorteile der Erfindung
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Ein
Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber
den Vorteil auf, dass es eine genauere Ermittlung einer mit dem
Batterieladezustand korrelierenden Zustandsgröße
einer Kraftfahrzeugbatterie ermöglicht. Diese genauere
Aussage erlaubt wiederum eine genauere Ermittlung des Ladezustands
(SOC) der Fahrzeugbatterie.
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Die
genauere Ermittlung einer mit dem Batterieladezustand korrelierenden
Zustandsgröße gemäß der vorliegenden
Erfindung beruht darauf, dass durch die Verwendung eines selbstlernenden
Batteriemodells bei der Ermittlung Fehlereinflüsse beseitigt
werden. Derartige Fehlereinflüsse sind beispielsweise die
Alterung der Kraftfahrzeugbatterie sowie batterieindividuelle Abweichungen
von vorgegebenen Kennlinien.
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In
vorteilhafter Weise werden dem zur Ermittlung der gewünschten
Zustandsgröße verwendeten Batteriemodell beim Übergang
von einer Aktivphase des Kraftfahrzeugs in eine Ruhephase des Kraftfahrzeugs
Parameter und Zustandsgrößen übergeben, die
in der Aktivphase unter Verwendung eines für die Aktivphase
des Kraftfahrzeugs vorgesehenen Batteriemodells ermittelt wurden.
Dies hat den Vorteil, dass das zur Berechnung der gewünschten
Zustandsgröße verwendete Batteriemodell bereits
am Anfang der Ruhephase mit Parametern und Zustandsgrößen
versorgt wird, die den realen Batteriezustand genau beschreiben.
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Um
das zur Ermittlung der gewünschten Zustandsgröße
verwendete Batteriemodell auch während der Ruhephase an
das reale Verhalten der Batterie anzupassen, erfolgt in vorteilhafter
Weise während der Ruhephasen des Kraftfahrzeugs in vorgegebenen
Zeitintervallen eine Anpassung der Parameter und Zustandsgrößen
des zur Ermittlung der gewünschten Zustandsgröße
verwendeten Batteriemodells unter Verwendung von Messwerten, die
mittels einer Sensorik von der Batterie abgeleitet werden.
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Des
Weiteren werden in vorteilhafter Weise beim Übergang von
einer Ruhephase des Fahrzeugs in eine Aktivphase des Fahrzeugs Parameter
und Zustandsgrößen, die von dem zur Ermittlung
der gewünschten Zustandsgröße verwendeten
Batteriemodell zur Verfügung gestellt werden, an das während der
Aktivphase des Fahrzeugs verwendete Batteriemodell übergeben.
Dies hat den Vorteil, dass auch zu Beginn der Aktivphase Parameter
und Zustandsgrößen vorliegen, die den realen Batteriezustand
genau beschreiben. Dauert diese Aktivphase nur eine kurze Zeit an,
dann können beim nachfolgenden Übergang von der
Aktivphase in die Ruhephase wiederum dem zur Ermittlung der gewünschten
Zustandsgröße verwendeten Batteriemodell Daten übergeben
werden, die den realen Batteriezustand genau beschreiben.
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Weitere
vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren
beispielhafter Erläuterung anhand der Zeichnung.
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Zeichnung
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Die 1 zeigt
eine Blockdarstellung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Ermittlung einer mit dem Batterieladezustand korrelierenden
Zustandsgröße einer Kraftfahrzeugbatterie, wobei
es sich bei der Zustandsgröße um die Ruhespannung
der Kraftfahrzeugbatterie handelt.
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Beschreibung
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Die
in der 1 dargestellte Vorrichtung weist eine Kraftfahrzeugbatterie 1,
eine Batteriesensorik 1a, ein erstes Batteriemodell 2,
einen ersten Vergleicher 3, eine erste Rückkopplungseinheit 4,
ein zweites Batteriemodell 5, einen zweiten Vergleicher 6,
eine zweite Rückkopplungseinheit 7, einen Datenaustauschpfad 8 und
Schalter S1, S2, S3, S4 auf. Die Schaltersteuerung erfolgt durch
Schaltersteuersignale s1, s2, s3, s4.
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Bei
dem ersten Batteriemodell 2 handelt es sich um ein in den
Aktivphasen des Kraftfahrzeugs verwendetes Batteriemodell. Diesem
werden in den Aktivphasen des Kraftfahrzeugs über den Schalter S1,
der sich während der Aktivphasen des Kraftfahrzeugs im
leitenden Zustand befindet und während der Ruhephasen des
Kraftfahrzeugs sperrt, eine oder mehrere Eingangsgrößen
M zugeführt, die an einem Eingangsanschluss E bereitgestellt
werden. Aus diesen Eingangsgrößen ermittelt das
Batteriemodell 2 Zustandsgrößen x1 und
Parameter p1, die den aktuellen Zustand der Batterie 1 beschreiben
und zur Berechnung verschiedener Batteriegrößen
verwendet werden können, beispielweise zur Berechnung des Ladezustands
der Batterie, der Leistungsfähigkeit der Batterie und der
entnehmbaren Ladung.
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Die
Eingangsgrößen des Batteriemodells 2 sind
beispielsweise externe Messgrößen M, welche Informationen über
den Batteriestrom, die Batterietemperatur und die Batteriespannung
enthalten.
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Zusätzlich
zu den Zustandsgrößen x1 und den Parametern p1
stellt das Batteriemodell 2 eine Ausgangsgröße
y1 zur Verfügung, welche im Vergleicher 3 mit
einem von der Batteriesensorik 1a abgeleiteten Messwert,
beispielsweise einem Batteriespannungsmesswert, einem Batteriestrommesswert
oder einem Batterietemperaturmesswert, verglichen wird. Die Batteriesensorik 1a ist
mit dem Vergleicher 3 über einen Schalter S2 verbunden,
welcher durch das Schaltersteuersignal s2 geschaltet wird. In den Aktivphasen
des Kraftfahrzeugs befindet sich der Schalter S2 im leitenden Zustand,
während der Ruhephasen des Kraftfahrzeugs ist er im gesperrten
Zustand.
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Am
Ausgang des Vergleichers 3 liegt ein Fehlersignal dy1 vor,
welches einer Rückkopplungseinheit 4 zugeführt
wird. Diese ermittelt unter Auswertung des Fehlersignals dy1 Korrekturwerte
für die Zustandsgrößen x1 und die Parameter
p1 und koppelt diese Korrekturwerte in das Batteriemodell 2 zurück.
Dort werden sie zur Korrektur der bisher vorliegenden Zustandsgrößen
x1 und der bisher vorliegenden Parameter p1 verwendet. Durch diese
Korrekturen erfolgt im Sinne eines Selbstlernvorganges eine Anpassung
der Zustandsgrößen x1 und der Parameter p1 an
das in den Aktivphasen des Kraftfahrzeugs vorliegende reale Verhalten
der individuellen Batterie 1.
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Erfolgt
eine Umschaltung von einer aktiven Phase des Kraftfahrzeugs in eine
Ruhephase des Kraftfahrzeugs, dann werden die Schalter S1 und S2 in
den gesperrten Zustand gebracht und die Schalter S3 und S4, die
während der aktiven Phasen im gesperrten Zustand sind,
in den leitenden Zustand gebracht.
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Dies
hat zur Folge, dass die am Eingang anliegenden externen Messgrößen
M an das zweite Batteriemodell 5 geleitet werden. Dieses
zweite Batteriemodell 5 ist ein für die Ruhephasen
vorgesehenes selbstlernendes Batteriemodell, dessen Aufbau und Eigenschaften
an die Ruhephasen angepasst sind und sich vom Aufbau und den Eigenschaften des
für die Aktivphasen vorgesehenen Batteriemodells 2 unterscheiden.
Beispielsweise unterscheiden sich die beiden Batteriemodelle dadurch,
dass das Batteriemodell 5 ein vereinfachtes Modell ist,
welches zur Ermittlung der Ruhespannung und der Polarisationen und
zu deren Anpassung an das reale Verhalten der Batterie 1 während
der Ruhephasen vorgesehen ist. Die Verwendung eines vereinfachten Batteriemodells
während der Ruhephasen beruht drauf, dass in den Ruhephasen
Bedingungen vorliegen, die zu einer kleineren Anregung als in den
Aktivphasen führen.
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Das
Batteriemodell 5 liefert ausgangsseitig ebenfalls Zustandsgrößen
x2 und Parameter p2, die das während einer Ruhephase ermittelte
reale Verhalten der Batterie 1 genau beschreiben. Zu den
Zustandsgrößen x2 gehört unter anderem
die Ruhespannung der Kraftfahrzeugbatterie. Des Weiteren liefert
das Batteriemodell 5 ausgangsseitig eine Ausgangsgröße
y2, welche im Vergleicher 6 mit einem von der Batteriesensorik 1a abgeleiteten
Messwert, beispielsweise einem Batteriespannungsmesswert, einem
Batteriestrommesswert und einem Batterietemperaturmesswert, verglichen
wird.
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Am
Ausgang des Vergleichers 6 liegt ein Fehlersignal dy2 vor,
welches der Rückkopplungseinheit 7 zugeführt
wird. Diese ermittelt unter Auswertung des Fehlersignals dy2 Korrekturwerte
für die Zustandsgrößen x2 und die Parameter
p2 und koppelt diese Korrekturwerte in das Batteriemodell 5 zurück.
Dort werden sie zur Korrektur der bisher vorliegenden Zustandsgrößen
x2 und der bisher vorliegenden Parameter p2 verwendet. Durch diese
Korrekturen erfolgt im Sinne eines Selbstlernvorganges eine Anpassung
der Zustandsgrößen x2 und der Parameter p2 an
das während der Ruhephasen des Kraftfahrzeugs vorliegende
reale Verhalten der individuellen Batterie 1. Bei diesem
Vorgehen werden Fehlereinflüsse, die beispielsweise auf
einer Batteriealterung oder auf batterieindividuellen Abweichungen von
vorgegebenen Kennlinien beruhen, bei der Ermittlung der Parameter
und Zustandsgrößen, insbesondere auch bei der
Ermittlung der Ruhespannung, beseitigt.
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In
vorteilhafter Weise wird dem Batteriemodell 5, welches
zur Ermittlung der Ruhespannung der Kraftfahrzeugbatterie verwendet
wird, bei jedem Übergang von einer Aktivphase des Fahrzeugs
in eine Ruhephase des Fahrzeugs die in der Aktivphase des Fahrzeugs
unter Verwendung des Batteriemodells 2 ermittelten Zustandsgrößen
x1 und Parameter p1 übergeben. Dies erfolgt über
eine Schnittstelle SS1 des Batteriemodells 2 und eine Schnittstelle
SS2 des Batteriemodells 5, wobei zwischen diesen beiden
Schnittstellen ein Datenaustauschpfad 8 vorgesehen ist.
Die genannte Übergabe erfolgt synchron mit der Steuerung
der Schalter S1, S2, S3, S4. Aufgrund dieser Übergabe der
Zustandsgrößen und Parameter stehen dem in den
Ruhephasen verwendeten Batteriemodell bereits am Anfang der jeweiligen Ruhephase
Daten zur Verfügung, die das reale Verhalten der Batterie 1 genau
beschreiben, so dass bereits die ersten am Ausgang des Batteriemodells 5 bereitgestellten
Zustandsgrößen x2, Parameter p2 und die Ausgangsgröße
y2 an das reale Verhalten der Batterie 1 angepasst sind.
Dadurch ist der im Batteriemodell 5 zu treibende Aufwand
bei der Korrektur der Zustandsgrößen und Parameter
vergleichsweise gering und es können schnell den realen
Batteriezustand beschreibende Daten bereitgestellt werden.
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Während
der Ruhephasen des Fahrzeugs wird in vorgegebenen Zeitintervallen,
die beispielsweise in der Größenordnung von einer
Stunde liegen, das zur Ermittlung der Ruhespannung verwendete Batteriemodell 5 an
das während der Ruhephasen vorliegende reale Verhalten
der Fahrzeugbatterie 1 laufend adaptiert. Dies erfolgt
unter Verwendung der eingangsseitigen Messgrößen
M, der von der Batteriesensorik 1a abgeleiteten Messwerte
und von im Batteriemodell 5 abgespeicherten Kennlinien.
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Erfolgt
am Ende einer Ruhephase ein Übergang in eine Aktivphase
des Kraftfahrzeugs, dann übergibt das Batteriemodell 5,
das in den Ruhephasen zur Ermittlung der Ruhespannung verwendet wird,
die am Ende der jeweiligen Ruhephase vorliegenden Parameter und
Zustandsgrößen über seine Schnittstelle
SS2, den Datenaustauschpfad 8 und die Schnittstelle SS1
des Batteriemodells 2 an das in den Aktivphasen verwendete
Batteriemodell 2. Diesem stehen folglich bereits am Beginn
einer Aktivphase an das reale Verhalten der Fahrzeugbatterie 1 adaptierte
Parameter und Zustandsgrößen vor. Diese werden
während der Aktivphase des Kraftfahrzeugs an das während
der Aktivphase vorliegende reale Verhalten der Batterie 1 angepasst.
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Folglich
stehen dem jeweiligen Batteriemodell bereits unmittelbar nach seiner
Aktivierung Daten zur Verfügung, die an das reale Verhalten
der Batterie 1 angepasst sind. Dies erlaubt eine schnelle und
genaue Ermittlung gewünschter Zustandsgrößen
der Batterie. Zu diesen gewünschten Zustandsgrößen
gehört insbesondere die während der Ruhephasen
des Fahrzeugs ermittelte Ruhespannung U00, die am Ausgang des selbstlernenden
Batteriemodells 5 als Zustandsgröße zur
Verfügung gestellt wird. Diese genaue Aussage über
die Ruhespannung kann in vorteilhafter Weise dazu verwendet werden,
eine schnelle und genaue Information über den Ladezustand
der Batterie 1 zu ermitteln.
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Untersuchungen
haben ergeben, dass eine Ermittlung der Ruhespannung unter Verwendung
eines selbstlernenden Batteriemodells besonders gute Ergebnisse
liefert, wenn zu Beginn einer Ruhephase die Deltakapazität
entladen ist, d. h. falls in einer vorangegangenen Aktivphase eine
Entladung der Batterie dominiert hat. Dies kann beispielsweise durch eine
lange Nachlaufphase mit hohem Strom verursacht sein.
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Bei
dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde
angenommen, dass es sich bei der mit dem Batterieladezustand korrelierenden
Zustandsgröße um die Ruhespannung der Kraftfahrzeugbatterie
handelt. Gemäß einem anderen, nicht näher
beschriebenen Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der
mit dem Batterieladezustand korrelierenden Zustandsgröße
um die Durchtrittspolarisation.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005015727
A1 [0007]
- - DE 102004035858 A1 [0011]