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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Batteriezustandserkennung.
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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.
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Aus
der
DE 10 2005
015 729 A1 sind ein Verfahren und eine Anordnung zur Ermittlung
von Betriebsparametern einer elektrochemischen Speicherbatterie
unter Berücksichtigung einer Elektrolytschichtung bekannt.
Bei diesem Verfahren wird ein erster funktionaler Zusammenhang zwischen
der Ruhespannung und dem Ladezustand als Wert für die entnehmbare
Ladung bezogen auf die Nennkapazität der Speicherbatterie,
der sich im Zustand mit Elektrolytschichtung in einer Entladephase
mit dem Ladungsumsatz seit einer vorhergehenden Ruhephase oder Vollladung
ergibt, bestimmt. Des Weiteren wird ein zweiter funktionaler Zusammenhang
zwischen der Ruhespannung und dem Ladezustand als Wert für
die entnehmbare Ladung bezogen auf die Nennkapazität der
Speicherbatterie, der sich im Zustand mit Elektrolytschichtung in
einer Entladephase mit einem akkumulierten Ladungsumsatz ergibt,
bestimmt. Ferner werden aus dem Schnittpunkt des ersten und zweiten
funktionalen Zusammenhangs, der Steigung von Geraden zur Beschreibung
des ersten und/oder zweiten funktionalen Zusammenhangs und/oder
aus jeweils zwei Ruhespannungswerten und dem Ladungsdurchsatz zwischen
diesen Ruhespannungswerten Betriebsparameter ermittelt.
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Vorteile der Erfindung
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Ein
Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen weist demgegenüber
den Vorteil auf, dass die Genauigkeit bei der Ermittlung der entnehmbaren
Ladung vergrößert ist. Dies wird im Wesentlichen
durch eine im Betrieb erfolgende Adaption der Kennlinie, die die
Ruhespannung der Batterie in Abhängigkeit von der der Batterie
entnehmbaren Ladung beschreibt, erreicht. Bei dieser Adaption werden
Parameter verwendet, die Informationen über die Säureschichtung
der Batterie enthalten. Durch diese adaptierte Kennlinie wird eine
geschichtete Batterie vollständig beschrieben. Es bedarf
keiner weiterer Maßnahmen für eine korrekte Modellbildung,
welche Voraussetzung für eine exakte Bestimmung der Betriebsparameter
der Batterie ist.
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Vorzugsweise
wird der erste Parameter in einem niedrigen Ladezustandsbereich
der Batterie ermittelt, insbesondere bei kleiner oder gleich 70% SOC.
In diesem niedrigen Ladezustandsbereich weicht eine Kennlinie, welche
die Ruhespannung der Batterie in Abhängigkeit von der der
Batterie entnehmbaren Ladung bei gealterter, ungeschichteter Batterie
beschreibt, nur geringfügig von der Kennlinie ab, welche
die Ruhespannung der Batterie in Abhängigkeit von der der
Batterie entnehmbaren Ladung bei einer nicht gealterten, geschichteten
Batterie beschreibt. In Richtung höherer Ladezustände,
d. h. in Richtung größerer entnehmbarer Ladungsmengen, laufen
die vorgenannten Kennlinien auseinander.
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Der
erste Parameter entspricht in vorteilhafter Weise der Differenz
zwischen der Ruhespannung bei säuregeschichteter und/oder
gealteter Batterie und der Ruhespannung bei neuer, ungeschichteter Batterie
bei gleicher entnehmbarer Leistung. Die Berücksichtigung
dieser Differenz bei der Adaption der abgespeicherten Kennlinie
führt in vorteilhafter Weise zu einer hohen Genauigkeit
der Batteriezustandserkennung, insbesondere im Bereich niedriger SOC-Werte
und niedriger entnehmbarer Ladung. Der zweite Parameter, welcher
Auskunft über die Steigung der Kennlinie gibt, ermöglicht
eine höhere Genauigkeit der Batteriezustandserkennung im
Bereich höherer SOC-Werte und höherer entnehmbarer
Ladung.
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Weitere
vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren
beispielhafter Erläuterung anhand der Figuren.
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Zeichnung
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Die 1 zeigt
ein Diagramm zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen der Ruhespannung
einer neuen, ungeschichteten Bleisäure-Nassbatterie mit
einer Nennkapazität von 100 Ah und der der Batterie entnehmbaren
La dung. Die 2 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung des
Zusammenhangs zwischen der Ruhespannung und der entnehmbaren Ladung
einer neuen, ungeschichteten Bleisäure-Nassbatterie und
einer gealterten, ungeschichteten Bleisäure-Nassbatterie.
Die 3 zeigt ein Diagramm, in welchem der Zusammenhang
zwischen der Ruhespannung und der entnehmbaren Ladung bei einer
neuen, ungeschichteten Batterie, einer gealterten, ungeschichteten
Batterie und einer nicht gealterten, geschichteten Batterie dargestellt
ist. Die 4 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung
der Adaption der Kennlinie. Die 5 zeigt
ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Batteriezustandserkennung.
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Beschreibung
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Die 1 zeigt
ein Diagramm zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen der Ruhespannung
einer neuen, ungeschichteten Bleisäure-Nassbatterie mit
einer Nennkapazität von 100 Ah und der der Batterie entnehmbaren
Ladung. Die in der 1 dargestellte Kennlinie K1,
bei der es sich um eine Gerade handelt, ist im Speicher einer Recheneinheit
hinterlegt und dort Bestandteil eines hinterlegten Batteriemodells.
Diesem Batteriemodell gehört auch eine Information über
die Steigung der Kennlinie K1 an. Das Batteriemodell wird dazu verwendet,
im Rahmen einer Batteriezustandserkennung die der Batterie entnehmbare
Ladung bzw. den Ladezustand der Batterie zu ermitteln. In 1 ist längs
der Abszisse die entnehmbare Ladung Qe und längs der Ordinate
die Ruhespannung U00 aufgetragen. Die Punkte A und B begrenzen die
Charakteristik, die für die verwendete Batterie den Zusammenhang
zwischen der Ruhespannung und der entnehmbaren Ladung beschreibt.
Der Punkt A stellt den Vollladepunkt dar. Aus der Position des Punktes
A im Diagramm ist ersichtlich, dass sich im Falle einer Entladung
mit I20 bei Raumtemperatur, d. h. mit einem Strom von 1/20 der Nennkapazität
der Batterie, der Batterie 100 Ah entnehmen lassen und dass die
Ruhe spannung nach einer 16 V-Volladung der Batterie 12,85 V beträgt.
Der Punkt B stellt den Entladeschluss dar. Aus der Position des
Punktes B im Diagramm ist ersichtlich, dass sich im Falle einer
Entladung bei Raumtemperatur mit I20 bis 10,5 V eine Ruhespannung
von 11,40 V einstellt.
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Die 2 zeigt
ein Diagramm zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen der Ruhespannung
und der entnehmbaren Ladung einer neuen, ungeschichteten Bleisäure-Nassbatterie
und einer gealterten, ungeschichteten Bleisäure-Nassbatterie.
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Die
in der 2 dargestellte Kennlinie K1 entspricht der in
der 1 gezeigten Kennlinie K1. Sie beschreibt den Zusammenhang
zwischen der Ruhespannung einer neuen, ungeschichteten Bleisäure-Nassbatterie
und der der Batterie entnehmbaren Ladung.
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Die
in der 2 dargestellte Kennlinie K2 beschreibt hingegen
den Zusammenhang zwischen der Ruhespannung einer gealterten, ungeschichteten
Bleisäure-Nassbatterie und der der Batterie entnehmbaren
Ladung.
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Die
Kennlinie K2 wird von den Punkten AMV und
BMV begrenzt. Der Punkt AMV stellt
den Vollladepunkt dar. Aus der Position des Punktes AMV im
Diagramm ist ersichtlich, dass sich die maximale Säurekonzentration
nach einer 16 V-Ladung nicht von der Säurekonzentration
einer neuen, ungeschichteten Batterie unterscheidet. Auch hier stellt
sich folglich eine Ruhespannung von 12,85 V ein. Es steht allerdings
deutlich weniger entnehmbare Ladung zur Verfügung, da weniger
aktive Masse als Reaktionspartner der Säure verfügbar
ist.
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Der
Punkt BMV stellt den Entladeschluss dar. Beim
Erreichen der Entladespannung von 10,5 V bei I20-Entladung steht
keine Aktivmasse mehr zur Verfügung. Die Säurekonzentration
ist jedoch noch nicht auf den niedrigen Wert, wie er bei einer neuen
Batterie vorliegt, abgesunken. Es stellt sich somit eine höhere
Ruhespannung ein.
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Im
Betrieb wird mittels der Batteriezustandserkennung bei niedrigen
Ladezuständen und dynamischer Anregung, beispielsweise
bei einem Motorstart, ermittelt, wie stark sich die minimale Ruhespannung
beim Vorliegen einer gealterten, ungeschichteten Batterie in Richtung
höherer Werte verschiebt. Diese Änderung dUeg
stellt einen Parameter des Batteriemodells dar, der bei der Batteriezustandserkennung
berücksichtigt wird.
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Aus
einem Vergleich der in der 2 gezeigten
Kennlinien K1 und K2 ist des Weiteren ersichtlich, dass die Steigung
der Kennlinien übereinstimmt.
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Die 3 zeigt
ein Diagramm, in welchem der Zusammenhang zwischen der Ruhespannung und
der entnehmbaren Ladung bei einer neuen, ungeschichteten Batterie,
einer gealterten, ungeschichteten Batterie und einer nicht gealterten,
geschichteten Batterie dargestellt ist.
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Die
in der 3 dargestellte Kennlinie K1 entspricht der in
den 1 und 2 gezeigten Kennlinie K1. Sie
beschreibt den Zusammenhang zwischen der Ruhespannung einer neuen,
ungeschichteten Bleisäure-Nassbatterie und der der Batterie
entnehmbaren Ladung.
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Die
in der 3 dargestellte Kennlinie K2 entspricht der in
der 2 gezeigten Kennlinie K2. Sie beschreibt den Zusammenhang
zwischen der Ruhespannung einer gealterten, ungeschichteten Batterie
und der der Batterie entnehmbaren Ladung.
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Die
in der 3 dargestellte Kennlinie K3 beschreibt hingegen
den Zusammenhang zwischen der Ruhspannung einer Batterie mit Säureschichtung,
aber ohne Masseverlust, und der der Batterie entnehmbaren Ladung.
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Die
Kennlinie K3 wird von den Punkten AAcS und
BAcS begrenzt. Der Punkt AAcS stellt
den Vollladepunkt dar. Aus der Position des Punktes AAcS im
Diagramm ist ersichtlich, dass sich die maximale Säurekonzentration
nach einer 16 V-Ladung von der Säurekonzentration einer
neuen, ungeschichteten Batterie unterscheidet. Es stellt sich eine
Ruhespannung ein, die größer ist als die Ruhespannung
der neuen, ungeschichteten Batterie. Die in der 3 gezeigte größere
Ruhespannung einer geschichteten Batterie beträgt 13,50
V. Der Grund für diese größere Ruhespannung
besteht darin, dass die Säurekonzentration im unteren Bereich
der Batterie erhöht und die Säurekonzentration
im oberen Bereich der Batterie reduziert ist. Des Weiteren steht
deutlich weniger entnehmbare Ladung zur Verfügung, da bei
einer Entladung im oberen Bereich der Batterie zu wenig Säure bei
einem Überschuss an aktiver Masse als Reaktionspartner
vorhanden ist, wohingegen im unteren Bereich der Batterie zu wenig
aktive Masse bei einem Überschuss an Säure zur
Verfügung steht.
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Der
Punkt BAcS stellt den Entladeschluss dar. Beim
Erreichen der Entladespannung von 10,5 V bei I20-Entladung steht
keine aktive Masse mehr zur Verfügung. Die Säurekonzentration
ist hingegen im unteren Bereich der Batterie nicht auf den niedrigen Wert,
wie er bei einer neuen Batterie vorliegt, abgesunken. Auch hier
stellt sich somit eine höhere Ruhespannung ein.
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Aus
der 3 ist ersichtlich, dass bei einer Batterie mit
Säureschichtung die maximal entnehmbare Ladung dann in
der gleichen Größenordnung liegt wie bei einer
gealterten Batterie bzw. einer Batterie mit Masseverlust, wenn auch
die Differenz dUeg in der gleichen Größenordnung
liegt.
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Wie
aus der 3 des Weiteren hervorgeht, ist
die Aufspreizung zwischen den Kennlinien K2 und K3 im Bereich niedriger
Ladezustände vernachlässigbar klein und wird in
Richtung größerer Ladezustände ebenfalls
größer. Die Ermittlung des Parameters dUeg, welcher
den Kapazitätsverlust der Batterie beschreibt, erfolgt
vorzugsweise im niedrigen Ladezustandsbereich.
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Bei
der vorliegenden Erfindung ist der Parameter dUeg, der den Kapazitätsverlust
der Batterie beschreibt, in dem Sinne erweitert, dass er nicht nur eine
Information über den durch eine Alterung bzw. durch einen
Masseverlust verursachten Kapazitätsverlust der Batterie,
sondern zusätzlich auch eine Information über
den durch die Säureschichtung der Batterie verursachten
Kapazitätsverlust der Batterie beinhaltet.
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Durchgeführte
Messungen haben gezeigt, dass die Kennlinie K3 aufgrund der inhomogenen Säureschichtung
sogar nach unten durchhängt. Dadurch liegen die Kennlinien
K2 und K3 im Bereich niedriger Ladezustände noch näher
zusammen als es in der 3 gezeigt ist.
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Nach
alledem werden durch die beschriebene Ermittlung von dUeg nicht
nur Informationen über den Masseverlust der Batterie erhalten,
sondern auch Informationen über die Säureschichtung
der Batterie und auch Informationen über den Masseverlust
und die Säureschichtung im Falle des Vorliegens einer Batterie
mit Säureschichtung und Masseverlust. Diese Informationen
werden von der Rechnereinheit zur Adaption der hinterlegten Kennlinie
verwendet und erhöhen die Genauigkeit des Batteriemodells
insbesondere bezüglich der entnehmbaren Ladung bei niedrigem
SOC.
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Des
Weiteren wird bei der vorliegenden Erfindung der in der 3 gezeigte
Punkt AAcS durch eine Adaption der Steigung
der Kennlinie ermittelt.
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Dies
wird anhand der 4 erläutert, welche ein
Diagramm zur Veranschaulichung der Adaption der Kennlinie zeigt.
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Dabei
wird davon ausgegangen, dass der erste Parameter dUeg bereits ermittelt
wurde.
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In
der 4 sind dieselben Kennlinien K1, K2 und K3 gezeigt,
die auch in der 3 dargestellt sind. Die Kennlinie
K1 ist einer neuen, ungeschichteten Batterie zugehörig,
die Kennlinie K2 einer gealterten Batterie mit Masseverlust und
die Kennlinie K3 einer Batterie mit Säureschichtung.
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Auf
der Kennlinie K3 ist ein Betriebspunkt CS1 gezeigt,
der sich im niedrigen Ladezustandsbereich befindet, d. h. in der
Nähe eines Punktes, für den gilt: SOC = 0 bzw.
Qe = 0.
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Dieser
Betriebspunkt CS1 ist Ausgangspunkt der
nachfolgend beschriebenen Ermittlung der Steigung der Kennlinie
K3.
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Bei
dieser Ermittlung der Steigung der Kennlinie K3 nimmt die Recheneinheit,
mittels welcher die Batteriezustandserkennung durchgeführt
wird, zunächst an, dass sich die Batterie in dem auf der Kennlinie
K2 liegenden Betriebspunkt C1 befindet.
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Danach
wird in einer Ladephase der Batterie eine über eine Stromintegration
bestimmte Menge Ladung in die Batterie eingespeist. Dadurch erreicht die
Batterie den in der 4 gezeigten Betriebspunkt CS2.
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Hier
nimmt die Recheneinheit zunächst an, dass sich die Batterie
aufgrund der eingebrachten Ladungsmenge im Betriebspunkt C2 befindet, welcher auf der Kennlinie K2
angeordnet ist.
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In
einer darauffolgenden Ruhephase der Batterie wird die Ruhespannung
der Batterie ermittelt. Diese Ruhespannungsermittlung liefert den
Wert U00,s2.
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Ferner
ermittelt die Recheneinheit einen Erwartungswert für die
Ruhespannung unter Verwendung einer Stromintegration auf Basis der
Kennlinie K2. Der von der Recheneinheit ermittelte Erwartungswert
für die Ruhespannung ist U00,2.
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Anschließend
ermittelt die Recheneinheit die Differenz zwischen dem gemessenen
Ruhespannungswert und dem ermittelten Erwartungswert für die
Ruhespannung: D = U00,S2 – U00,2.
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Diese
Differenz liefert eine Information über die Steigung der
Kennlinie K3 und wird zur Adaption der abgespeicherten Kennlinie
bzw. zur Adaption des abgespeicherten Wertes für die Steigung
der Kennlinie und damit zur Adaption des abgespeicherten Batteriemodells
verwendet.
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Des
Weiteren verwendet die Recheneinheit die Information über
die Steigung der Kennlinie K3 auch zur Ermittlung des Punktes AAcS, der der Vollladepunkt ist.
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Wird
im Rahmen eines Ladevorganges zwischen zwei Ruhephasen eine große
Ladungsmenge in die Batterie eingebracht, dann wird die Differenz zwischen
der gemessenen und der erwarteten Ruhespannung groß. Alternativ
zu einem einmaligen Ladevorgang mit einer großen Ladungsmenge
kann das oben beschriebene Verfahren auch dann verwendet werden,
wenn mehrere Ladevorgänge mit jeweils kleineren Ladungsmengen
durchgeführt werden. In diesem Fall lässt sich
in vorteilhafter Weise eine statistische Bewertung mehrerer Ladungs-Ruhephasen-Zyklen
einsetzen um zu entscheiden, ob und um welchen Betrag die abgespeicherte
Steigung der Kennlinie geändert bzw. adaptiert werden soll.
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Vorstehend
wurde ein Verfahren zur Batteriezustandserkennung beschrieben, bei
welchem die Ruhespannung der Batterie in Abhängigkeit von
der der Batterie entnehmbaren Ladung in Form einer Kennlinie hinterlegt
ist, und bei welchem
- – ein erster
Parameter (dUeg) ermittelt wird, der den durch die Alterung der
Batterie und eine Säureschichtung der Batterie verursachten
Kapazitätsverlust der Batterie beschreibt,
- – ein zweiter Parameter ermittelt wird, der Auskunft über
die Steigung der Kennlinie gibt und
- – eine Adaption der gespeicherten Kennlinie unter Berücksichtigung
des ersten und des zweiten Parameters vorgenommen wird.
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Der
genannte zweite Parameter kann dabei ermittelt werden, indem
- – in einer Ladephase der Batterie
eine vorgegebene Ladungsmenge in die Batterie eingespeist wird,
- – unter Berücksichtigung der hinterlegten
Kennlinie und der eingespeicherten Ladungsmenge ein Erwartungswert
für die Ruhespannung ermittelt wird,
- – in einer nach der Ladephase eingeleiteten Ruhephase
ein Istwert für die Ruhespannung ermittelt wird und
- – die Differenz zwischen dem ermittelten Istwert und
dem Erwartungswert zur Ermittlung des zweiten Parameters verwendet
wird.
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Alternativ
dazu kann der zweite Parameter auch ermittelt werden, indem
- – in einer Entladephase der Batterie
eine vorgegebene Ladungsmenge der Batterie entzogen wird,
- – unter Berücksichtigung der hinterlegten
Kennlinie und der der Batterie entzogenen Ladungsmenge ein Erwartungswert
für die Ruhespannung ermittelt wird,
- – in einer nach der Entladephase eingeleiteten Ruhephase
ein Istwert für die Ruhespannung ermittelt wird und
- – die Differenz zwischen dem ermittelten Istwert und
dem Erwartungswert zur Ermittlung des zweiten Parameters verwendet
wird.
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Bei
dieser alternativen Vorgehensweise werden Entladephasen der Batterie
ausgewertet, um eine Adaption des abgespeicherten Wertes für
die Steigung der Kennlinie durchzuführen.
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Die 5 zeigt
ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Batteriezustandserkennung.
In diesem Blockdiagramm sind ein Spannungssensor 1, ein
Stromsensor 2, ein Temperatursensor 3, eine Recheneinheit 4 mit
einem Speicher 4a und einem Ausgangsanschluss 5 sowie
eine Bleisäure-Batterie 6 dargestellt. Der Spannungssensor 1 dient
zur Messung der Klemmenspannung der Batterie 6, der Stromsensor 2 zur
Messung des durch die Batterie 6 fließenden Stromes
und der Temperatursensor 3 zur Messung der Temperatur der
Batterie 6. Alle diese Messungen erfolgen während
einer Ruhephase des Kraftfahrzeugs und werden in vorgegebenen Zeitintervallen
wiederholt, beispielsweise in zeitlichen Abständen von
einer Stunde.
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Die
gemessenen Batteriespannungs-, Batteriestrom- und Batterietemperaturmesswerte
werden der Recheneinheit 4 zugeführt und von dieser
gemäß einem vorgegebenen Algorithmus verarbeitet,
um am Ausgangsanschluss 6 einen vorgegebenen Betriebsparameter
der Batterie zur Verfügung zu stellen. Dabei ist im Speicher 4a der
Recheneinheit 4 das oben genannte Batteriemodell abgespeichert,
zu dessen Daten auch eine Kennlinie gehört, die die Ruhespannung
der Batterie in Abhängigkeit von der der Batterie entnehmbaren
Ladung beschreibt. Die Recheneinheit 4 ist auch dazu vorgesehen,
- – einen ersten Parameter dUeg zu ermitteln,
der den durch die Alterung der Batterie und eine Säureschichtung
der Batterie verursachten Kapazitätsverlust der Batterie
beschreibt,
- – einen zweiten Parameter zu ermitteln, der Auskunft über
die Steigung der Kennlinie gibt und
- – eine Adaption der gespeicherten Kennlinie unter Berücksichtigung
des ersten und des zweiten Parameters vorzunehmen,
und
auch die in den abhängigen Ansprüche angegebenen
Verfahrensschritte durchzuführen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005015729
A1 [0004]