DE102007050346B4 - Method for checking the plausibility of at least one capacity-related state variable of an electrical energy store - Google Patents
Method for checking the plausibility of at least one capacity-related state variable of an electrical energy store Download PDFInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Plausibilisierung mindestens einer kapazitätsbezogenen Zustandsgröße (K) eines elektrischen Energiespeichers (100), insbesondere einer Batterie, bei dem die mindestens eine kapazitätsbezogene Zustandsgröße (K), insbesondere eine Kapazität und/oder eine gespeicherte Ladungsmenge, in Abhängigkeit messtechnisch erfassbarer Betriebsgrößen (U, I, T) der Batterie (100) ermittelt wird.Erfindungsgemäß werden mindestens zwei, insbesondere voneinander unabhängige, Bewertungsverfahren (200a, 200b) durchgeführt, die jeweils mindestens eine den Zustand der Batterie (100) charakterisierende Ausgangsgröße (a, b) liefern, die Ausgangsgrößen (a, b) der mindestens zwei Bewertungsverfahren (200a, 200b) werden durch Verknüpfungsmittel (210) miteinander verknüpft, um mindestens eine für den Zustand der Batterie (100) charakteristische Bewertungsgröße (B) zu erhalten, und in Abhängigkeit der Bewertungsgröße (B) wird auf die Plausibilität der kapazitätsbezogenen Zustandsgröße (K) geschlossen.The invention relates to a method for checking the plausibility of at least one capacitance-related state variable (K) of an electrical energy store (100), in particular a battery, in which the at least one capacitance-related state variable (K), in particular a capacitance and / or a stored charge quantity, can be detected metrologically According to the invention, at least two, in particular independent, evaluation methods (200a, 200b) are carried out, each of which determines at least one output variable (a, b) characterizing the state of the battery (100) ), the outputs (a, b) of the at least two evaluation methods (200a, 200b) are linked together by combining means (210) to obtain at least one evaluation quantity (B) characteristic of the condition of the battery (100), and in dependence the evaluation size (B) is based on the plausibility de r Capacity-related state variable (K) closed.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Plausibilisierung mindestens einer kapazitätsbezogenen Zustandsgröße eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere einer Batterie, bei dem die mindestens eine kapazitätsbezogene Zustandsgröße, insbesondere eine Kapazität und/oder eine gespeicherte Ladungsmenge, in Abhängigkeit messtechnisch erfassbarer Betriebsgrößen der Batterie ermittelt wird.The invention relates to a method for checking the plausibility of at least one capacitance-related state variable of an electrical energy store, in particular a battery, in which the at least one capacitance-related state variable, in particular a capacitance and / or a stored charge quantity, is determined as a function of metrologically recordable operating variables of the battery.
Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät zur Ausführung des vorstehend genannten Verfahrens.The invention further relates to a control device for carrying out the method mentioned above.
Es existieren bereits verschiedene Verfahren zur Überwachung eines Zustands eines elektrischen Energiespeichers wie beispielsweise einer Kraftfahrzeugbatterie. Insbesondere bei einer Versorgung von sicherheitskritischen Verbrauchern ist eine zuverlässige und präzise Erkennung des Batteriezustands erforderlich.There are already various methods for monitoring a state of an electrical energy storage such as a motor vehicle battery. Especially when supplying safety-critical consumers, a reliable and precise detection of the battery condition is required.
Bekannte Batteriezustandserkennungen sehen vor, verschiedene Betriebsgrößen der zu überwachenden Batterie, wie beispielsweise eine Batteriespannung, einen Batteriestrom oder auch eine Temperatur der Batterie, messtechnisch zu erfassen und in Abhängigkeit dieser messtechnisch erfassten Eingangsgrößen mittels eines geeigneten Algorithmus eine oder mehrere Ausgangsgrößen zu bilden, die charakteristisch sind für einen interessierenden Zustand der zu überwachenden Batterie.Known battery state detections provide to measure different operating variables of the battery to be monitored, such as a battery voltage, a battery current or a temperature of the battery and depending on these metrologically detected inputs by means of a suitable algorithm to form one or more output variables that are characteristic for a state of interest of the battery to be monitored.
Prinzipiell wird zwischen zwei Klassen von möglichen Ausgangsgrößen unterschieden, wobei eine erste Klasse kapazitätsbezogene Zustandsgrößen der Batterie umfasst. Die kapazitätsbezogenen Zustandsgrößen korrespondieren ganz allgemein mit einer Energie- oder Ladungsmenge, die aktuell in einer Batterie gespeichert oder speicherbar ist. Wichtigste Beispiele für kapazitätsbezogene Zustandsgrößen sind die elektrische Kapazität der Batterie und eine gespeicherte Ladungsmenge der Batterie. Insbesondere die tatsächliche elektrische Kapazität der Batterie kann von Ihrem häufig auch auf der Batterie angegebenen Nennwert abweichen, beispielsweise aufgrund von Herstellungstoleranzen, Alterungseffekten und dergleichen.In principle, a distinction is made between two classes of possible output variables, with a first class comprising capacity-related state variables of the battery. The capacitive state variables generally correspond to an amount of energy or charge that is currently stored or storable in a battery. The most important examples of capacity-related state variables are the electrical capacity of the battery and a stored charge of the battery. In particular, the actual electrical capacity of the battery may differ from its nominal value, often indicated on the battery, for example due to manufacturing tolerances, aging effects, and the like.
Weitere kapazitätsbezogene Zustandsgrößen können u.a. aus den vorstehend beschriebenen kapazitätsbezogenen Zustandsgrößen gebildet werden, beispielsweise ein Ladezustand (SOC, state of charge), der das Verhältnis zwischen momentan tatsächlich gespeicherter Ladung und momentaner Kapazität der Batterie angibt.Further capacity-related state variables can i.a. are formed from the above-described capacity-related state variables, for example, a state of charge (SOC), which indicates the ratio between currently actually stored charge and instantaneous capacity of the battery.
Die andere Klasse von Ausgangsgrößen herkömmlicher Batteriezustandserkennungen umfasst leistungsbezogene Zustandgrößen wie beispielsweise einen Entladestrom, der der Batterie entnommen werden kann oder generell auch eine elektrische Leistung, die der Batterie entnommen oder auch zugeführt werden kann. Die leistungsbezogenen Zustandsgrößen werden häufig auch auf bestimmte Betriebspunkte, wie beispielsweise besondere Temperaturbereiche bezogen. Beispielsweise gibt die Kaltstartleistung (CCA, cold cranking amp rating) diejenige Leistung an, die die Batterie unter Kaltstartbedingungen, das heißt bei einer bestimmten Temperatur, abgeben kann.The other class of outputs of conventional battery condition detections include power related state quantities such as a discharge current that may be taken from the battery or, generally, electrical power that may be taken from or supplied to the battery. The performance-related state variables are often also related to specific operating points, such as special temperature ranges. For example, cold cranking & rating (CCA) indicates the power that the battery can deliver under cold start conditions, that is, at a certain temperature.
Insbesondere für die Praxis ist es auch von Bedeutung, weitere Kenngrößen zu bilden, die von kapazitäts- und leistungsbezogenen Zustandsgrößen der Batterie abhängen, beispielsweise um eine maximale Parkdauer eines die Batterie beinhaltenden Kraftfahrzeugs in Abhängigkeit eines der Batterie während der Parkdauer entnommenen Ruhestroms derart zu ermitteln, dass nach Ablauf der Parkdauer gerade noch eine vorgebbare Anzahl von Anlassvorgängen unter Verwendung der Batterie möglich ist.In particular, in practice, it is also important to form further parameters that depend on capacity and power-related state variables of the battery, for example, to determine a maximum parking duration of the battery-containing motor vehicle in dependence of a battery removed during the parking period quiescent current, that after the end of the parking period just a predefinable number of starting operations using the battery is possible.
Während die leistungsbezogenen Zustandsgrößen einer Batterie verhältnismäßig einfach ermittelt werden können, beispielsweise unter Verwendung eines entsprechenden Modells für die zu überwachende Batterie und eines adaptiven Algorithmus, der z.B. auf der Verwendung von Kalmanfiltern beruht, ergeben sich Schwierigkeiten bei der Ermittlung kapazitätsbezogener Zustandsgrößen der Batterie, insbesondere hinsichtlich der Präzision der ermittelten Werte.While the performance-related state variables of a battery can be determined relatively easily, for example, using a corresponding model for the battery to be monitored and an adaptive algorithm, e.g. Due to the use of Kalman filters, there are difficulties in determining the capacitance-related state variables of the battery, in particular with regard to the precision of the values determined.
Verschiedene Faktoren beeinflussen in bekannter Weise die Kapazität einer Batterie. Beispielsweise haben die Abnutzung von Batterieelektroden und eine Schichtung eines in der Batterie enthaltenen Elektrolyts einen nicht unwesentlichen Einfluss auf die Batteriekapazität. Dadurch kann die Präzision herkömmlicher Verfahren zur Ermittlung von kapazitätsbezogenen Zustandsgrößen nachteilig beeinflusst werden. Insbesondere die Ermittlung eines Ladezustands einer Batterie, die herkömmlich auf der Betrachtung eines Spannungsgleichgewichts beruht, kann durch Variationen in der Elektrolytkonzentration oder durch eine entsprechende Schichtung des Elektrolyts verfälscht werden. Genauere Methoden zur Bestimmung der Batteriekapazität sehen demgegenüber ein Entladen der zu überwachenden Batterie auf einen Ladezustand von unter 50% vor, was für normale Betriebsverfahren u.a. aufgrund der verschleißfördernden Wirkung nicht praktikabel ist.Various factors affect the capacity of a battery in a known manner. For example, the wear of battery electrodes and a stratification of an electrolyte contained in the battery have a not insignificant impact on the battery capacity. As a result, the precision of conventional methods for determining capacitance-related state variables can be adversely affected. In particular, the determination of a state of charge of a battery, which is conventionally based on the consideration of a voltage balance, can be falsified by variations in the electrolyte concentration or by a corresponding stratification of the electrolyte. On the other hand, more precise methods for determining the battery capacity provide for a discharge of the battery to be monitored to a charge state of less than 50%, which is the case for normal operating methods and the like. is not practicable due to the wear-promoting effect.
Die vorstehend genannten Faktoren führen dazu, dass ein alterungsbedingter Kapazitätsverlust oder auch eine sprunghafte Kapazitätsänderung durch den Austausch der betreffenden Batterie über eine verhältnismäßig lange Betriebsdauer hinweg unentdeckt bleiben kann, wenn die Batterie über die betrachtete Betriebsdauer hinweg stets hinreichend aufgeladen ist. Der Kapazitätsverlust wird besonders nachteilig erst dann erkannt, wenn die betreffende Batterie im Bedarfsfalle erstmals über ein vorgebbares Maß entladen wird. Bezüglich des Stands der Technik wird auf die
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art und ein entsprechendes Steuergerät dahingehend zu verbessern, dass eine präzisere Erkennung und/oder Plausibilisierung von kapazitätsbezogenen Zustandsgrößen der Batterie möglich ist.Accordingly, it is an object of the present invention to improve a method of the aforementioned type and a corresponding control device to the extent that a more precise detection and / or plausibility of capacity-related state variables of the battery is possible.
Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens zwei, insbesondere voneinander unabhängige, Bewertungsverfahren durchgeführt werden, die jeweils mindestens eine den Zustand der Batterie charakterisierende Ausgangsgröße liefern, dass die Ausgangsgrößen der mindestens zwei Bewertungsverfahren durch Verknüpfungsmittel miteinander verknüpft werden, um mindestens eine für den Zustand der Batterie charakteristische Bewertungsgröße zu erhalten, und dass in Abhängigkeit der Bewertungsgröße auf die Plausibilität der kapazitätsbezogenen Zustandsgröße geschlossen wird.This object is achieved in the method of the aforementioned type according to the invention that at least two, in particular independent, evaluation methods are performed, each supplying at least one the state of the battery characterizing output that the output variables of the at least two evaluation methods are linked by linking means in order to obtain at least one evaluation variable that is characteristic for the state of the battery, and that the plausibility of the capacity-related state variable is deduced depending on the evaluation variable.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass bei einer geeigneten Verknüpfung der Ausgangsgrößen der mehreren Bewertungsverfahren die erfindungsgemäß erhaltene Bewertungsgröße eine verlässliche Information darüber enthält, mit welcher Wahrscheinlichkeit die auf herkömmliche Weise ermittelte kapazitätsbezogene Zustandsgröße innerhalb vorgebbarer Genauigkeitsbereiche liegt.According to the invention, it has been recognized that with a suitable combination of the output variables of the plurality of evaluation methods, the evaluation variable obtained according to the invention contains reliable information about the probability with which the conventionally determined capacitance-related state variable lies within specifiable accuracy ranges.
Der erfindungsgemäße Einsatz der mehreren Bewertungsverfahren ermöglicht damit im weitesten Sinn eine Plausibilisierung der kapazitätsbezogenen Zustandsgröße der Batterie. Bei geeigneter Auswahl der Verknüpfungsmittel kann eine Plausibilität der kapazitätsbezogenen Zustandsgröße beispielsweise dadurch überprüft werden, indem die Bewertungsgröße auf das Über- oder Unterschreiten vorgebbarer Schwellwerte hin überprüft wird.The use according to the invention of the plurality of evaluation methods thus makes it possible, in the broadest sense, to make a plausibility check of the capacity-related state variable of the battery. With a suitable selection of the linking means, a plausibility of the capacity-related state variable can be checked, for example, by checking the evaluation variable for the overshooting or undershooting of predefinable threshold values.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Plausibilisierungsverfahrens besteht darin, dass die eingangs beschriebenen Einflussfaktoren, welche die Präzision bei der Ermittlung insbesondere kapazitätsbezogener Zustandsgrößen negativ beeinflussen können, sich nicht gleichermaßen stark auf die erfindungsgemäß gebildete Bewertungsgröße auswirken, wie beispielsweise auf eine isoliert erhaltene kapazitätsbezogene Zustandsgröße selbst. D.h., durch die erfindungsgemäße Kombination der mehreren unabhängigen Bewertungsverfahren wird die Zuverlässigkeit bei der Beurteilung der kapazitätsbezogenen Zustandsgröße vorteilhaft gesteigert.The particular advantage of the plausibility check method according to the invention is that the influencing factors described at the outset, which can adversely affect the precision in determining particularly capacitance-related state variables, do not have the same effect on the evaluation variable formed according to the invention, such as, for example, an independently obtained capacitance-related state variable itself The combination of the several independent evaluation methods according to the invention advantageously increases the reliability in the assessment of the capacity-related state variable.
Erfindungsgemäß können die Verknüpfungsmittel vorteilhaft logische Verknüpfungen, insbesondere auch mittels eines auf Fuzzy-Logik basierenden Algorithmus, oder auch eine gewichtete Summe und dergleichen von Ausgangsgrößen der verschiedenen Bewertungsverfahren vorsehen.According to the invention, the linking means can advantageously provide logic operations, in particular also by means of an algorithm based on fuzzy logic, or else a weighted sum and the like of output variables of the various evaluation methods.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass in Abhängigkeit der Plausibilisierung der kapazitätsbezogenen Zustandsgröße eine vorgebbare Betriebsart für die Batterie, insbesondere eine bestimmte Aufladestrategie und/oder eine Priorisierung von Verbrauchern und/oder eine Leerlaufdrehzahlanhebung einer der Batterie zugeordneten Brennkraftmaschine eingestellt wird, um die entsprechenden Belastungen der Batterie an deren aktuellen Zustand anzupassen.In a further very advantageous embodiment of the method according to the invention, it is provided that a specifiable operating mode for the battery, in particular a specific charging strategy and / or a prioritization of consumers and / or an idling speed increase of an internal combustion engine assigned to the battery, is set as a function of the plausibility check of the capacity-related state variable to adjust the corresponding loads of the battery to their current state.
Ferner kann die Einleitung von Fehlerreaktionen vorgesehen sein, beispielsweise wenn die erfindungsgemäße Plausibilisierung einen unzureichenden Ladezustand oder sonstige kritische Betriebszustände ergibt.Furthermore, the initiation of fault responses may be provided, for example if the plausibility check according to the invention results in an insufficient charge state or other critical operating states.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Steuergerät gemäß Patentanspruch 11 angegeben.As a further solution of the object of the present invention, a control device according to claim 11 is given.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung beziehungsweise Darstellung in der Beschreibung beziehungsweise in der Zeichnung.Other features, applications and advantages of the invention will become apparent from the following description of embodiments of the invention, which are illustrated in the figures of the drawing. All described or illustrated features, alone or in any combination form the subject matter of the invention, regardless of their summary in the claims or their dependency and regardless of their formulation or representation in the description or in the drawing.
Figurenliste list of figures
In der Zeichnung zeigt:
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1 schematisch ein Funktionsdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, und -
2 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 schematically a functional diagram of an embodiment of the method according to the invention, and -
2 a flowchart of an embodiment of the method according to the invention.
In
Die messtechnische Erfassung der Betriebsgrößen der Batterie
Bei der kapazitätsbezogenen Zustandsgröße K handelt es sich vorliegend beispielsweise um die elektrische Kapazität der Batterie
Die vorstehend beschriebene Erfassung und Auswertung, die die kapazitätsbezogene Zustandsgröße K liefert, ist in dem Flussdiagramm gemäß
Erfindungsgemäß wird das nachstehend beschriebene Plausibilisierungsverfahren durchgeführt, um eine Aussage über die Zuverlässigkeit bzw. Präzision des auf herkömmliche Weise ermittelten Kapazitätswerts K treffen zu können.According to the invention, the plausibility check method described below is carried out in order to be able to make a statement about the reliability or precision of the capacitance value K determined in a conventional manner.
Dabei werden vorteilhaft zunächst mehrere voneinander unabhängige Bewertungsverfahren
Die erfindungsgemäßen Bewertungsverfahren
Die erfindungsgemäßen Bewertungsverfahren
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass bei geeigneten Verknüpfungskriterien die Signifikanz der Bewertungsgröße
Die Durchführung der erfindungsgemäßen Bewertungsverfahren
Nachfolgend kann erfindungsgemäß in Schritt
Einem einfachen Beispiel entsprechend kann die Bewertungsgröße
In Abhängigkeit dieser Plausibilisierung, die in dem Flussdiagramm gemäß
Die erfindungsgemäße Steuerung kann beispielsweise die Einstellung einer vorgebbaren Betriebsart für die Batterie
Bei einer besonders effizienten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Bewertungsverfahren
Die Verknüpfungsmittel
Die entsprechenden Parameter der Verknüpfungsmittel
Bei einer besonders vorteilhaften Erfindungsvariante kann vorgesehen sein, dass ein Bewertungsverfahren
Besonders vorteilhaft kann der Referenzwert für den vorstehend beschriebenen Vergleich auch in Abhängigkeit eines Kaltstartstroms der Batterie
Einer weiteren vorteilhaften Erfindungsvariante zufolge kann das zweite Bewertungsverfahren
Beispielsweise sollte sich dann eine hohe Ladeakzeptanz und damit einhergehend ein hoher Ladestrom für die Batterie
Invers hierzu sollte sich bei einer positiven Ladebilanz und einer hinreichenden Übereinstimmung der Ladespannung mit ihrem Sollwert bei einem hohen Ladezustand nur ein verhältnismäßig geringer Ladestrom ergeben.Inversely, in the case of a positive charging balance and a sufficient agreement of the charging voltage with its setpoint, only a comparatively low charging current should result at a high charging state.
Neben den vorliegend beispielhaft beschriebenen zwei Bewertungsverfahren
Ein weiteres Bewertungsverfahren kann beispielsweise vorteilhaft vorsehen, dass bei einer bereits vorhandenen, herkömmlichen modellbasierten Ermittlung von leistungs- und/oder kapazitätsbezogenen Zustandsgrößen der Batterie
Eine weitere Variante der erfindungsgemäß vorgesehenen Bewertungsverfahren kann vorteilhaft vorsehen, dass die Ausgangsgröße in Abhängigkeit eines Vergleichs von leistungsbezogenen Zustandsgrößen und von kapazitätsbezogenen Zustandsgrößen der Batterie
Beispielsweise kann ein Ladezustand (SOC) mit der Kaltstartleistung (SOF) der Batterie
Falls die erfindungsgemäßen Verknüpfungsmittel
Eine weitere sehr vorteilhafte Erfindungsvariante sieht ein Bewertungsverfahren
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Bewertungsverfahren
Ein weiteres sehr vorteilhaftes Bewertungsverfahren kann darüberhinaus vorsehen, dass eine Ausgangsgröße ausgegeben wird in Abhängigkeit extremer Wertebereiche von Betriebsgrößen der Batterie
Die erfindungsgemäße Plausibilisierung kann z.B. ganz allgemein einen Vergleich der herkömmlich ermittelten Kapazität
Die erfindungsgemäße Plausibilisierung kann vorteilhaft auch vorsehen, dass in Abhängigkeit eines Werts der Bewertungsgröße
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