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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft das Gebiet der Ladezustandserfassung von elektrischen
Akkumulatoren, beispielsweise von Leistungsakkumulatoren, wie sie in
Elektro- und Hybridfahrzeugen verwendet werden.
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Zur
Erfassung der Energiemenge, die noch aus einem Akkumulator abgerufen
werden kann, ist insbesondere bei Leistungsanwendungen notwendig,
um die Lade- und Entladestrategie planen zu können. Beispielsweise
bei der Verwendung in Fahrzeugen gibt der Ladezustand eine Auskunft über
die aktuelle Reichweite bzw. über die Notwendigkeit, elektrische
Energie über den Verbrennungsmotor zu erzeugen. Zur Erfassung
des Ladezustands werden vorzugsweise Messungen verwendet, die keinen
Eingriff in den Akkumulator selbst erfordern, wobei vorzugsweise
Strom, Spannung und Temperatur als äußere Messgrößen
verändert werden.
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Zum
einen unterliegen diese Messgrößen gewissen Ungenauigkeiten,
und zum anderen ergeben sich beispielsweise bei modellbasierten
Verfahren Ungenauigkeiten durch das Modell.
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Es
ist bekannt, die Klemmenspannung des Akkumulators zu messen, sowie
den Akkumulatorstrom, d. h. den Strom, der vom Akkumulator weg (Entladevorgang)
und zum Akkumulator hin (Ladevorgang) fließt, um daraus
den Ladezustand abzuleiten.
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Durch
die Integration des Akkumulatorstroms über die Zeit lässt
sich die Ladungsbilanz erstellen, d. h. es lasst sich die Ladungsmenge
ermitteln, die durch den elektrischen Strom in der Summe entnommen
oder hinzugefügt wurde. Insbesondere bei Hochleistungsanwendungen,
bei denen hohe Ströme fließen, ergeben sich hohe
Absolutfehler, da beispielsweise bei der Verwendung von Shunt-Widerständen
diese mit einem besonders hohen Leitwert vorgesehen werden, um einen
hohen Stromfluß zu gewährleisten. In ähnlicher
Weise ist auch die Erfassung des Stroms mit Hall-Elementen mit Ungenauigkeiten
beaufschlagt. Wird somit durch die Integration der Gesamtladungstransfer überwacht,
so ergibt sich ein akkumulierender Fehler, der sich durch die Integration über
die Zeit hin aufsummiert. Die Integration über den Strom
alleine bietet somit insbesondere für längere
Anwendungszeiträume kein exaktes Mittel zur Ladezustandserfassung.
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Aus
diesem Grund wird der Zusammenhang zwischen Leerlaufspannung und
Ladezustand für eine weitere Erfassungsmethode herangezogen. Durch
Messung, Simulation oder Modellierung lässt sich der Zusammenhang
zwischen noch zu entnehmender Ladung bzw. Ladezustand und der Leerlaufspannung
ermitteln. Dieser Zusammenhang wird gespeichert und zur Erfassung
des Ladezustands wird die Leerlaufspannung ermittelt, die über
die gespeicherte Zuordnung zum aktuellen Ladezustand führt. Insbesondere
die Erfassung der Leerlaufspannung ist hierbei mit Schwierigkeiten
verbunden, da diese, gemäß einer ersten vorbekannten
Variante, durch Messen der Klemmenspannung des Akkumulators erfasst
wird, wobei jedoch Ausgleichungseffekte berücksichtigt
werden müssen. Wird die Klemmenspannung direkt nach dem
Ende einer Belastung erfasst, so ist diese mit einem starken Fehler
behaftet, da Ausgleichsprozesse noch nicht abgeschlossen sind und
sich die tatsächliche Leerlaufspannung erst nach einer
bestimmten Zeit einstellt. Der durch die Ausgleichsprozesse verursachte
Fehler hat im Wesentlichen einen negativ-exponentiellen Verlauf
in Abhängigkeit von der Dauer der Leerlaufphase, so dass
ab einer bestimmten Dauer davon ausgegangen werden kann, dass der
durch die Ausgleichsverbindungen verursachte Fehler unter einer
bestimmten Grenze liegt. Es ist ersichtlich, dass eine derartige
Wartezeit, während der im Wesentlichen kein Strom fließen darf,
einen besonderen Eingriff in die Anwendung darstellt und unter Umständen
nicht durchführbar ist, beispielsweise wenn ein Hybridfahrzeug
oder Elektrofahrzeug dauerhaft in Benutzung ist und nur unzureichend
kurze Pausen bei der Akkumulatorbelastung entstehen.
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Eine
zweite Variante zur Erfassung der Leerlaufspannung, um aus dieser
den Ladezustand auf Grund von vorbestimmten Zuordnungen zu ermitteln, ist
die modellbasierte Ladezustandsschätzung. Hierbei wird
im Wesentlichen kontinuierlich die Klemmenspannung sowie der Strom
gemessen, der zum Akkumulator fließt oder von diesem abfließt.
Diese beiden von außen zu messenden elektrischen Größen werden
einem Modell eingegeben, das den Akkumulator nachbildet. Das Modell
ermöglicht somit den Zugriff auf die (theoretische bzw.
geschätzte) Leerlaufspannung, obwohl der Akkumulator tatsächlich
nicht im Leerlaufbetrieb ist. Hierfür werden beispielsweise Impedanzmodelle
verwendet, die den Innenwiderstand und den Akkumulator selbst als
Spannungsquelle wiedergeben, wobei das Modell die Höhe
des Innenwiderstands (d. h. der Impedanz) des Akkumulators wiedergibt,
wobei sich der Spannungsabfall am Innenwiderstand durch den fließenden
Strom ermitteln lässt, wodurch sich aus der Klemmenspannung durch
Addition der Spannung, die an dem Innenwi derstand abfällt,
die Leerlaufspannung erfassen lässt. Derartige Modelle
erfordern jedoch einen hohen Grad an Komplexität, genauer
Strom- und Spannungserfassung und somit einen relativ hohen Aufwand
an Hardware und Programmierung, wenn eine hohe Genauigkeit erzielt
werden soll.
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Keine
der oben genannten Vorgehensweisen erlaubt die Erfassung des Ladezustands
mit einfachen Mitteln und bei hoher Genauigkeit. Insbesondere ist
eine präzise Erfassung an eine sehr hohe Modellgenauigkeit
und mit einem hohen Rechenaufwand verknüpft, wobei bei üblichen
Mitteln die Erfassung der Leerlaufspannung durch Messung und Integration
des Akkumulatorstroms systembedingte Ungenauigkeiten ergeben, die
sich zum Teil über die Zeit akkumulieren.
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Die
Druckschrift
DE 19959019
A1 beschreibt ein Verfahren zur Zustandserkennung eines
Energiespeichers, in dem zwei verschiedene Schätzmodelle zur
Zustandserkennung verwendet werden. Eine übergeordnete Überwachungsebene
untersucht die Ergebnisse der beiden Modelle hinsichtlich Plausibilität
und setzt die Modelle bei nicht plausiblen Ergebnissen zurück,
beispielsweise wenn eine wesentlich zu hohe Spannung bei extrem
niedrigen Außentemperaturen in einem Modell vorgesehen
wird. Die Umsetzung des Verfahrens ist auf Grund der Modelle sehr
komplex, wobei die Plausibilitätsüberprüfung naturgemäß keine
Fehler erkennen kann, die innerhalb eines plausiblen Intervalls
liegen.
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Die
Druckschrift
DE
102006033629 A1 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen des
Zustands einer Batterie, wobei die Batterie aus einer Serienschaltung
von Einzelzellen besteht und diese gruppiert werden. Die tatsächliche
Diagnoseprozedur umfasst einen aktiven Eingriff und sieht die Belastung mittels
eines Stromimpulses vor, wobei dies einer besonderen Leistungsschaltung
bedarf Ferner ist durch die gruppenweise Leistungsabfrage das Gesamtergebnis
durch die Zellenstreuung unpräzise.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Mechanismus zum
Erfassen des Ladezustands eines elektrischen Akkumulators vorzusehen, der
eine höhere Genauigkeit, eine geringere Komplexität,
oder beides ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung ermöglicht eine hohe Genauigkeit bei der Erfassung
von Ladezuständen mit einem geringen Rechenaufwand. Insbesondere
kann ein modellbasiertes Erfassungsverfahren verwendet werden, das
auch bei höheren Diskretisierungsfehlern, Rundungsfehlern,
Fehlern in der Strommessung und geringen Abtastraten zu einer präzisen
Ladungsbestandserfassung führt. Die Erfindung ermöglicht die
Verbesserung der Genauigkeit von bekannten Verfahren mittels einfach
und kostengünstig zu implementierenden Mechanismen und
erlaubt eine deutlich erhöhte Genauigkeit auch bei der
Verwendung von Modellen, die mit geringem Aufwand umgesetzt werden
können. Ferner wird das Messrauschen gegenüber
Verfahren gemäß dem Stand der Technik deutlich
verringert. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt
ein Ladezustands-Ergebnis ohne aufsummierendem Fehler.
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Erfindungsgemäß wird
ein auf Stromintegration beruhendes Verfahren mit einem weiteren
Verfahren (d. h. ein Schätzverfahren) kombiniert, das auf der
Ermittlung der Leerlaufspannung beruht. Das Schätzverfahren
beruht vorzugsweise auf der Ermittlung des Ladezustands ausgehend
von einer Leerlaufspannung, die gemessen sein kann oder die geschätzt
sein kann. Durch die Kombination wird ein zunehmender und sich aufsummierender
Fehler, wie er beim Integrationsverfahren auftritt, verringert bzw. unterdrückt,
und durch die geeignete Kombination ist es möglich, dass
Fehler, die auf der Leerlaufsspannungserfassung beruhen, deutlich
verringert werden. Gemäß einem Grundkonzept der
Erfindung wird ein auf Stromintegration basierendes Ladezustandserfassungsverfahren
mit einem auf Leerlaufspannungserfassung beruhenden Ladezustandserfassungsverfahren
kombiniert, wobei ein Gütewert der Verfahren vorgesehen
wird, der die Genauigkeit der Verfahren kennzeichnet, und mittels
dem die Ergebnisse der beiden Verfahren abhängig vom Gütewert geeignet
miteinander kombiniert werden. Der Gütewert kennzeichnet
die Genauigkeit des Fehlers, der sich bei der Erfassung des Ladezustands
aufgrund der einer Leerlaufspannung ergibt, d. h. die Schätz-Genauigkeit.
Da erfindungsgemäß das Messverfahren (Integration
des Akkumulatorstroms) mit dem Schätzverfahren (Schätzung
aufgrund der Leerlaufspannung) gemäß Gütewert
kombiniert werden, und somit lediglich das Verhältnis der
beiden Genauigkeiten relevant ist, gibt der Gütewert über
dieses relative Verhältnis auch die (Mess-)Genauigkeit
wieder, die sich durch Messen und Integrieren des Akkumulatorstroms
ergibt. Das Verhältnis der Genauigkeiten entspricht einem
komplementären Verhältnis, da die eine Mess-Genauigkeit
(relativ zu der Schätz-Genauigkeit) sich umso mehr verringert,
je größer die Schätz-Genauigkeit (relativ
zu der Mess-Genauigkeit) ist. Das komplementäre Verhältnis
kann durch eine konstante Summe der beiden (relativen) Genauigkeiten
wiedergegeben werden. Da der Gütewert kein absoluter Wert
ist, sondern das Verhältnis der Genauigkeiten zwischen
den beiden Messverfahren (Akkumulatorstromintegration/Abschätzung
durch Leerlaufspannung) wiedergibt, kann der Wert auch als negativer
Gütewert für das Messergebnis interpretiert werden,
das sich durch die Ermittlung auf Grund der Leerlaufspannung ergibt.
Die beiden gewichteten Ladezustände (d. h. der Schätzungs-Ladezustand,
der aus der Leerlaufspannung ermittelt wurde und der Messungs-Ladezustand,
der durch Integration des Akkumulatorstroms ermittelt wurde) werden
kombiniert, um den Ist-Ladezustand vorzusehen. Die Kombination umfasst
vorzugsweise eine Addition der beiden gewichteten La dezustände,
wobei das Additionsergebnis dem Ist-Ladezustand entspricht. Es können
auch andere Arten der Kombination verwendet werden, beispielsweise
mittels anderer arithmetischer Operanden oder mittels einer Kombinations-gleichung,
die arithmetische Operanden umfasst, die beide gewichteten Ladezustände
miteinander zu genau einem Ergebniswert kombiniert.
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Der
durch die Kombination entstehende Ist-Ladezustand gibt somit vorzugsweise
eine gewichtete Summe (oder eine andere Linearkombination oder Interpolation)
der beiden Ladezustände wieder, die durch die beiden verschiedenen
Verfahren erzeugt wurden. Die Genauigkeit des Schätzungs-Ladezustands
kann somit als ein Genauigkeitsverhältnis vorgesehen werden,
das die Genauigkeit des Schätzungs-Ladezustands normiert
auf die Genauigkeit des Mess-Ladezustands wiedergibt. Abhängig
von einem Gewichtungsmechanismus, der dem Gütewert einen
Gewichtungsfaktor zuordnet, kann ein zugehöriger Gewichtungsfaktor
mit dem Gütewert ansteigen oder fallen. Der Gütewert
gibt somit ein Genauigkeitsverhältnis zwischen Messungs- und
Schätzungs-Ladezustand (oder zwischen Schätzungs-
und Messungs-Ladezustand) wieder. Die Erstellung des Gütewerts
und die Zuordnung zwischen Gütewert und Gewichtungsfaktor
wird vorzugsweise von einer Schaltung ausgeführt, wie sie
beispielsweise in 3 in Blockschaltbilddarstellung
gezeigt ist, die zunächst die Klemmenspannung ableitet,
und abhängig von dem Betrag der zeitlichen Ableitung den Gewichtungsfaktor
ermittelt, wobei die Ableitung angibt, wie weit Ausgleichprozesse
im (unbelasteten) Akkumulator abgeschlossen sind, deren Stärke
den Fehler bei der Ermittlung des Schätzungs-Ladezustands
wiedergibt. Je kleiner die Ableitung ist, desto höher fällt
der Gütewert aus, der die Genauigkeit des Schätz-Ladezustands
wiedergibt, da der Schatz-Ladezustands auf der Leerlaufspannung
basiert, die umso genauer ist, je mehr die Ausgleichprozesse abgeschlossen
sind, d. h. je geringer die zeitliche Ableitung der Klemmenspannung
ist.
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Die
Kombination, die zum Ist-Ladezustand führt, umfasst somit
einen Messungs-Ladezustand, der sich durch Integration des Akkumulatorstroms (einschließlich
Vorzeichen) über die Zeit ergibt, wodurch sich eine Gesamt-Ladungsdifferenz
für den entsprechenden Integrationszeitraum ergibt. Der Messungsladezustand
wird somit dadurch erfasst, dass ein neuer Messungs-Ladezustand
sich aus der Summe des vorhergehenden Messungs-Ladezustands plus
Ladungsdifferenz ergibt. Je nach Art der Anwendung (Laden/Entladen)
ist die Ladungsdifferenz positiv oder negativ. Die Ladungsdifferenz
wird diesbezüglich vom Akkumulator aus betrachtet, so dass
ein vom Akkumulator abfließender Strom ein negatives Vorzeichen
erhält und ein zum Akkumulator hin fließender
Strom (Laden) ein positives Vorzeichen erhält. Die Aktualisierung
wird vorzugsweise periodisch regelmäßig oder kontinuierlich
durchgeführt. Durch diese kontinuierliche Aktualisierung
erklärt sich der sich ak kumulierende Fehler, wenn das Akkumulatorstromintegrationsverfahren
für sich betrachtet wird.
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Der
Schätzungs-Ladezustand wird vorzugsweise mit dem Messungs-Ladezustand
kombiniert, beispielsweise durch Addition nach Gewichtung, um zusammen
mit dem Messungs-Ladezustand integriert zu werden. Ein Integrator
erhält somit vorzugsweise eine gewichtete Summe aus Schätzungs-Ladezustand
und Messungs-Ladezustand. Hierdurch korrigiert die Integration des
Messungs-Ladezustands die Differenz zwischen Messungs-Ladezustands
und Schätzungs-Ladezustand. Somit umfasst die Erfindung,
die mit den jeweiligen Gewichtungsfaktoren gewichteten Schätzungs-Ladezustand
und Messungs-Ladezustand miteinander zu kombinieren, vorzugsweise
mittels Addition der gewichteten Ladezustände, und die
Kombination an den Integrator zurückzuführen.
Mit anderen Worten wird der Messungs-Ladezustand gewichtet und kombiniert
mit dem Schätzungs-Ladezustand an den Integrator des Messungs-Ladezustand
zurückgeführt. Die Rückführung,
die der Integrator bereits für den erfassten Strom aufweist,
um diesem zur geflossenen Ladung zu integrieren, wird somit erfindungsgemäß dahingehend
verändert, dass nunmehr (1) der Messungs-Ladezustand gewichtet
zurückgeführt wird und (2) mit einem gewichteten
Schätzungs-Ladezustand (der auf einer Leerlaufspannung
basiert) kombiniert wird. Das dem Integrator (der zum Aufaddieren
von Stromwerten zur Erfassung der Ladungsbilanz verwendet wird)
rückgeführte Signal entspricht somit einer Kombination
aus gewichtetem Schätzungs-Ladezustand Messungs-Ladezustand.
Die Kombination der gewichteten Ladezustände kann grundsätzlich
direkt zum Ist-Ladezustand führen oder kann grundsätzlich auch
indirekt zum Ist-Ladezustand führen, beispielsweise wenn
die Kombination der gewichteten Ladezustände in eine Rückführung
eines Integrators eingespeist wird (d. h. wenn die kombinierten
gewichteten Ladezustände integriert werden), und der Integrator
den Ist-Ladezustand als Integral der kombinierten gewichteten Ladezustände
ausgibt (d. h. die integrierten kombinierten gewichteten Ladezustände den
Ist-Ladezustand vorsehen).
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Vorzugsweise
wird das Verfahren für Akkumulatoren in Kraftfahrzeugen
zur Überwachung einer Traktionsbatterie und/oder zur Bordnetzversorgung verwendet.
Die Gewichtung mittels Gewichtungsfaktor ist vorzugsweise an die
Art und Weise der Messung bzw. Schätzung angepasst. Vorzugsweise
wird ein Gewichtungsfaktor w für die Gewichtung des Schätzungs-Ladezustand
verwendet, mit: w < 1,
w ≤ 0.5, w ≤ 0.2 w ≤ 0.1, w ≤ 0.05,
w ≤ 0.02, w ≤ 0.01, w ≤ 0.005, w ≤ 0.002
oder w ≤ 0.001. Mit anderen Worten ist der Gewichtungsfaktor
w ≥ 0 und gedeckelt auf das obere Ende der angegebenen
Intervalle. Der Gewichtungsfaktor für die Gewichtung des
Messungs-Ladezustand beträgt vorzugsweise c – 1,
mit einer Konstanten c, bsp. c = 1.
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Ein
Schätzungs-Ladezustand wird aus einer Zuordnung zwischen
Ladezuständen und Leerlaufspannungen des Akkumulators abgeleitet.
Dies umfasst zunächst die Erfassung der Leerlaufspannung (wie
oben beschrieben, d. h. durch Messung der Klemmenspannung nach einer
gewissen Ruheperiode bzw. Mittels eines Modells, beispielsweise
eines Impedanzmodells), woraufhin der entsprechende Ladezustand
aus der Leerlaufspannung abgeleitet wird. Die Zuordnung zwischen
Ladezustand und Leerlaufspannung ist vorbestimmt und basiert auf
Messungen anhand des betreffenden Akkumulators oder anhand eines
Akkumulators des gleichen Typs, oder basiert auf Modellberechnungen
oder einer Kombination hiervon. Die Zuordnung kann durch eine Look-Up-Tabelle
vorgesehen sein, die bestimmten Ladezuständen bestimmte
Leerlaufspannungen zuweist, oder die bestimmten Ladezustandsintervallen bestimmte
Leerlaufspannungsintervallen zuweist, wobei die Look-Up-Tabelle
mit einer Interpolationsvorrichtung gekoppelt sein kann. Somit können
einzelne, in der Look-Up-Tabelle gespeicherten Werte dazu verwendet
werden, auch zwischen zwei gespeicherten Leerlaufspannungen liegende
Leerlaufspannungswerte einem Ladezustand zuzuordnen, beispielsweise
durch arithmetische Mittelung oder gewichtete Mittelung. Neben einer
Zuordnung mittels einer Look-Up-Tabelle können ebenso (endliche) Reihen
vorgesehen werden, die in Form einer Gleichung die Zuordnung wiedergeben,
wobei die Reihenentwicklung auf Messwerten basiert. Beispielsweise
können derartige Nährungsformeln durch Parameter
festgelegt werden, wenn die Art der Reihenentwicklung vorbestimmt
ist, beispielsweise bei einer Polynomial-Reihenentwicklung oder ähnlichem.
Die Berechnung mittels Nährungsformel kann auf vordefinierten
oder in einem Speicher abgelegten Parameter basieren, beispielsweise
auf Grund von Parameter, die während des Herstellungsprozesses
eines Antriebs oder einer Akkumulatorsteuerung in einen Speicher
des Antriebs oder der Akkumulatorsteuerung abgelegt werden. Die
Zuordnung kann ferner selbst parametrisiert sein, beispielsweise
können mehrere Zuordnungen vorgesehen sein, die von verschiedenen
Temperaturen abhängen, wobei sich das Verhältnis
von Ladezustand bis zur Leerlaufspannung mit Temperatur ändert.
Ferner können weitere Parameter vorgesehen sein wie Alterung,
die die Zuordnung beeinflussen, in dem beispielsweise eine vorgegebene
Zuordnung modifiziert wird oder eine geeignete Zuordnung aus einer
Gruppe von Temperatur oder alterungsabhängigen Zuordnungen
ausgewählt wird. Wie bereits bemerkt kann die Leerlaufspannung
durch Messen einer Klemmenspannung vorgesehen sein, die nach einer
Ruhephase eintritt, wobei die Klemmenspannung gemäß der
Länge der Ruheperiode weiter modifiziert werden kann, um
beispielsweise die Klemmenspannung bei zu kurzen Ruhepausen, in
denen die Ausgleichprozesse noch nicht abgeklungen sind, auf eine
endgültige Leerlaufspannung extrapoliert werden. Anstatt
Messungen der Klemmenspannung nach einer Ruheperiode kann auch ein
Modell verwendet werden, beispielsweise ein Batterieimpedanzmodell,
das kontinuierlich oder regelmäßig die Klemmenspannung
und den Akkumulatorstrom unter Belas tung und in Belastungspausen
mitführt, um das Akkumulatormodell ständig zu
aktualisieren.
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Erfindungsgemäß wird
ein Gütewert vorgesehen, der die Genauigkeit des abgeleiteten
Schätzungs-Ladezustands wiedergibt. Mit anderen Worten gibt
der Gütewert die Genauigkeit wieder, mit der die Leerlaufspannung
ermittelt wurde, um aus dieser den zugehörigen Ladezustand
zu ermitteln. Darüber hinaus kann die Genauigkeit der Zuordnung
zwischen Ladezustand und Leerlaufspannung berücksichtigt werden.
Wie bereits bemerkt ist der Schätzungs-Ladezustand ein
relativer Wert, der das Verhältnis zwischen geschätztem
Ladezustand und durch Integration erfassten Messungs-Ladezustand
wiedergibt. Auf Grund dieser Relation kann der Gütewert
ebenso die (umgekehrte Genauigkeit des Messungs-Ladezustands) wiedergeben.
Im Allgemeinen gibt der Gütewert das Verhältnis
der Genauigkeit des Schätzungs-Ladezustands zu der Genauigkeit
des Messungs-Ladezustands an.
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Gemäß der
Erfindung wird der Schätzungsladezustand gemäß der
Genauigkeit gewichtet. D. h. je präziser der Schätzungs-Ladezustand
ist, desto mehr findet dieser Eingang in das Endergebnis des Ladezustands,
d. h. in den ausgegebenen Ist-Ladezustand. Hierzu wird ein Schätzungs-Gewichtungsfaktor
vorgesehen, der in einer besonders einfachen Ausführungsform
dem Gütewert entspricht. Im Allgemeinen hängt
der Schätzungs-Gewichtungsfaktor von dem Gütewert
gemäß einer monoton steigenden Funktion ab, so
dass bei steigendem Gütewert des Schätzungs-Ladezustands
auch der Schätzungs-Gewichtungsfaktor steigt. In gleicher
Weise wird der Schätzungs-Gewichtungsfaktor bei fallendem
Gütewert verringert.
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Durch
die Abhängigkeit über eine monoton steigende Funktion,
die vorzugsweise streng monoton steigend ist und insbesondere eine
lineare oder direkt proportionale Abhängigkeit sein kann,
wird durch das Gewichten der Schätzungs-Ladezustand im
Verhältnis zum Messungs-Ladezustand umso mehr in das Endergebnis
eingebracht, je höher der Gütewert und somit die
Genauigkeit des Schätzungs-Ladezustands ist. Je größer
der Gütewert ist, der die Genauigkeit des Schätzungs-Ladezustands wiedergibt,
desto mehr wird der Messungs-Ladezustand aus dem Endergebnis verdrängt
bzw. desto mehr wird dessen Einfluss auf das Endergebnis verringert.
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Somit
sieht die Erfindung ebenso vor, den Messungs-Ladezustand (erfasst
durch die Integration des Akkumulatorstroms abhängig von
einem Messungs-Gewichtungsfaktor) zu gewichten, wobei dieser in
einem besonders einfachem Fall c minus Gütewert entspricht,
und c eine Konstante ist. Im Allgemeinen hängt der Messungs-Gewichtungsfaktor
von einem Gütewert gemäß einer monoton
fallenden Funktion ab, so dass mit steigender Genauigkeit des Schätzungs-Ladezustands
(und somit steigendem Gütewert) der Einfluss des Messungs- Ladezustands verringert
wird, in dem der Messungs-Gewichtungsfaktor verringert wird. Vorzugsweise
ist die monoton fallende Funktion, die den Gütewert auf
den Messungs-Gewichtungsfaktor abbildet, die inverse Funktion der
monoton steigenden Funktion, die den Schätzungs-Gewichtungsfaktor
mit dem Gütewert verknüpft. Insbesondere verhält
sich die monoton steigende Funktion zur monoton fallenden Funktion derart,
dass die Summe der Messungs-Gewichtungsfaktoren beim gleichen Gütewert
eine Konstante ist und vorzugsweise 1 beträgt. Damit ist
gewährleistet, dass die Gewichtungen den absoluten Wert des
Ladezustands selbst nicht verfälschen. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform wird der Ist-Ladezustand, der
sich durch Addition des gewichteten Schätzungs-Ladezustands
und des gewichteten Messungs-Ladezustands ergibt, normiert, falls
der Messungs-Gewichtungsfaktor und der Schätzungs-Gewichtungsfaktor
als Summe nicht 1 ergeben. Wie bereits bemerkt sind die beiden Gewichtungsfaktoren
vorzugsweise unabhängig vom Gütewert in der Summe
konstant, wobei eine Normierung dann vorgesehen wird, wenn die Summe
nicht 1 entspricht und der Normierungsfaktor für den auszugehenden
Ist-Ladezustand dem Kehrwert der Summe der beiden Gewichtungsfaktoren
entspricht. Wenn die steigenden bzw. fallenden Funktionen ein Ausgabeintervall
von 0–255 überstreichen, dann ist der Normierungsfaktor
1/256 (d. h. der Kehrwert der Intervallbreite) um einen Ist-Ladezustand
zwischen 0 und 1 vorzusehen, wobei 0 einem vollständig
entleerten Akkumulator entspricht, und 1 einen zu 100% aufgeladenen
Akkumulator entspricht. Je nach Ausgabe bzw. Weiterverarbeitungsanwendung
kann die Normierung ferner dazu vorgesehen werden, den Ausgabemodus
zu ändern (beispielsweise eine Transformation unter den
Darstellungsmöglichkeiten: binäre Darstellung
mit 8 Bit, Angabe des Ladezustands in Prozentpunkten 0...100 oder
Angabe des Ladezustands in Anteilen bezogen auf den Voll-Ladezustand,
d. h. 0...1).
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Erfindungsgemäß werden
somit die beiden Ladezustände gemäß ihrer
Genauigkeit addiert, wobei ein Ladezustand umso mehr Gewicht erhält,
je größer das Verhältnis seiner Genauigkeit
gegenüber der Genauigkeit des anderen Ladezustands ist.
Der Gütewert wird erfindungsgemäß anhand
der Genauigkeit der Leerlaufspannung erfasst, die von der Leerlauf-Zeitdauer
abhängt, während der der Akkumulator weder durch
Laden noch durch Entladen belastet wird. Daher wird eine Leerlauf-Zeitdauer
erfasst, während der der Akkumulatorstrom nicht über
einem Ruhe-Schwellwert liegt, wobei der Gütewert mit der Leerlauf-Zeitdauer
ansteigt. Mit anderen Worten wird gemäß einer
monoton steigenden Funktion die Leerlauf-Zeitdauer auf den Gütewert
abgebildet, wobei die monoton steigende Funktion eine zumindest
Abschnittsweise monoton steigende Funktion sein kann, eine streng
monoton steigende Funktion, eine Funktion der Form 1 – e–t/t0 oder eine beliebige andere Funktion.
Die Funktion kann mittels Look-Up-Tabelle, Interpolationsverfahren,
Nährungsglei chungen und ähnlichem vorgesehen werden,
beispielsweise als eine Gruppe von Parameterwerten, die eine Nährungsgleichung
definieren.
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Alternativ
oder in Kombination hierzu kann der Verlauf der Leerlaufspannung
in Abhängigkeit von der Zeit betrachtet werden und auf
den Gütewert geschlossen werden. Hierbei werden vorzugsweise die
Ausgleichmechanismen und deren Auswirkung auf die Leerlaufspannung
näher betrachtet, wobei beispielsweise negativ expotentielle
Ausgleichsvorgänge zu Grunde gelegt werden und somit die
erste Ableitung der Leerlaufspannung nach der Zeit (bzw. deren Betrag)
ein Genauigkeitsmaß angibt, welches den Einfluss von Ausgleichungsvorgängen
im Akkumulator widerspiegelt, die einen Fehler verursachen. Um den
Betrag der ersten zeitlichen Ableitung zugrunde zu legen, kann auf
das Quadrat der Ableitung als Genauigkeitsmaß bzw. als
Gütewert verwendet werden. Sind die Ausgleichsvorgänge
weit fortgeschritten, so fällt bzw. steigt die Leerlaufspannung nur
noch geringfügig, wohingegen beim Beginn von Ausgleichsvorgängen
die Steigung bzw. das Abfallen der Leerlaufspannung größer
ist und somit ein größerer Fehler verursacht wird,
der zu einer geringeren Genauigkeit führt. Demnach wird
der Gütewert ermittelt, indem die zeitliche Ableitung der
Leerlaufspannung ermittelt wird und der sich dadurch ergebende Wert über
eine monoton steigende Funktion auf den Gütewert abgebildet
wird. Die monoton steigende Funktion hat vorzugsweise einen Verlauf,
der komplementär zum zeitlichen Verlauf der Leerlaufspannung
oder deren erste zeitliche Ableitung ist, beispielsweise im wesentlichen
den Verlauf von 1 – e–t/t0 bzw.
eine Nährungsfunktion hiervon. Die Abbildung, welche die
monoton steigende Funktion wiedergibt, kann durch eine Look-Up-Tabelle,
eine Nährungsgleichung, einen Interpolationsmechanismus
oder eine Kombination hiervon vorgesehen werden, beispielsweise
durch Parameter, die eine Gleichung definieren. In besonders einfachen
Ausführungen wird eine Stückelung durch Geradenabschnitte
vorgesehen, wobei Stützpunkte, die die Geradenabschnitte bzw.
deren Endpunkte definieren, beispielsweise in einer Look-Up-Tabelle
vorgespeichert sind. Nimmt der monoton steigenden Funktion, die
die zeitliche Ableitung der Leerlaufspannung einem Gütewert
zuordnen kann die Geradestückelung für prinzipiell
alle oben genannten Abbildungen bzw. Funktionen verwendet werden.
Somit kann zur Ermittlung des Gütewerts die Leerlaufzeitdauer,
die zeitliche Ableitung der Leerlaufspannung oder eine Kombination
hiervon verwendet werden, wobei vorzugsweise die zugehörigen
Gütewerte miteinander kombiniert werden, beispielsweise
durch eine Linearkombination oder Addition. Alle oben beschriebenen
monotonen Funktionen bzw. deren zugehörige Zuordnung können
stückweise stetig sein, abschnittsweise Konstant und können
wertdiskret oder wertkontinuierlich sein.
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Die
erfindungsgemäße Gewichtung gemäß Gütewert
bzw. Genauigkeit bezieht sich vorzugsweise auf den Schätzungs-Ladezustand,
der auf Leerlaufspannungen basiert, die entwe der an der Klemmenspannung
gemessen oder auf Grund von kontinuierlich verfolgenden Modellen
erfasst wurde. Grundsätzlich kann sich der Gütewert
allerdings auch an der Genauigkeit des Messungs-Ladezustands orientieren,
wobei dieser durch Integrieren des Akkumulatorstroms vorgesehen
wird. Da bekannt ist, das die Genauigkeit durch die Akkumulation
eines Fehler-Biasstrom mit der Zeit verringert wird, kann hierzu
beispielsweise als Maß die Dauer verwendet werden, die
seit dem letzten Normieren bzw. Kalibrieren der Integratorsumme
anhand eines anderen Ladezustands-Erfassungsverfahrens, beispielsweise
eines der oben beschriebenen Schätzungsverfahren, die auf
Leerlaufspannungen beruhen. Ein Gütewert, der sich an der
Genauigkeit eines abgeleiteten Messungs-Ladezustands ergibt kann somit
gemäß einer monoton fallenden Funktion von der
Zeitdauer abhängen, die seit dem letzten Aktualisieren
des Messungs-Ladezustands durch eine „externe Vorrichtung” ergibt.
Mit „externer Vorrichtung” werden weitere Mess-
bzw. Schätzverfahren benannt, die nicht auf der Integration
des Akkumulatorstroms beruhen, beispielsweise eines der oben genannten
Schätzungs-Messverfahren. Prinzipiell können somit
Gütewerte verwendet werden, die die Genauigkeit des Schätzungs-Ladezustands
wiedergeben, oder die Genauigkeit des Messungs-Ladezustands wiedergeben.
Ferner können zwei unabhängig voneinander ermittelte
Gütewerte bestehen, d. h. ein Messungs-Gütewert
und ein Schätzungs-Gütewert, die im Verhältnis
zueinander zu einem Gesamt-Gütewert kombiniert werden,
der die Gewichtung des Schätzungs-Ladezustands und somit
auch die Gewichtung des hierzu komplementären Messungs-Ladezustands
wiedergibt.
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Wie
bereits bemerkt kann die Leerlaufspannung erfasst werden, indem
die Klemmenspannung hochohmig, d. h. mit zu vernachlässigender
Strombelastung, gemessen wird, oder indem ein Modell fortwährend
den Akkumulatorstrom und die Klemmenspannung mitverfolgt und basierend
auf einem Akkumulator-Impedanzmodell den Innenwiderstand erfasst.
Die Berechnung der „virtuellen Leerlaufspannung” (d.
h. die Leerlaufspannung, die einem tatsächlich belasteten
Akkumulator zugeordnet wird) ist bereits oben beschrieben und ergibt
sich durch Aufstellung der Maschengleichung einer idealen Spannungsquelle,
einem Reihenwiderstand, der den Innenwiderstand bzw. die Akkumulatorimpedanz
wiedergibt, sowie der Anschlussklemmen, an denen die Klemmenspannung
anliegt. Unter Zuhilfenahme des aktuellen Akkumulatorstroms lässt
sich die Spannung erfassen, die an dem Innenwiderstand abfällt, wobei
die Leerlaufspannung die Summe der dort abfallenden Spannung und
der Klemmenspannung entspricht.
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Um
nach längeren ununterbrochenen Integrationsphasen den Messungs-Ladezustand
erneut abzugleichen, kann der Messungs-Ladezustand gleich einem
Schätzungs-Ladezustand gesetzt werden, wenn dieser neu
ermittelt wurde. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
wird der Messungs-Ladezustand (d. h. der Summierwert des Integrators)
nur zu Beginn des Betriebs des Akkumulators auf den Schätzungs-Ladezustand
gesetzt, oder nach Austausch des Akkumulators oder nach sehr langen
Einsatzpausen, in denen eine wesentlich Entladung des Akkumulators
(bsp. > 20%) zu erwarten ist.
Das Setzen auf den Schätzungs-Ladezustand wird insbesondere
bei der Ermittlung des Schätzungs-Ladezustands auf Grund
einer gemessenen Ladespannung ausgeführt. Falls die Leerlaufspannung
einem Modell entstammt, wird der Messungs-Ladezustand nicht gleich
dem zugehörigen Ladezustand gesetzt, sondern vorzugsweise über
einen PI-Regler gemäß einer vorgegebenen Regelungsgeschwindigkeit
an den Schätzungs-Ladezustand angepasst. Abhängig
von den Regelungsparametern kann das Nachführen des Messungs-Ladezustands
mehr oder minder stark an den Schätzungs-Ladezustand gekoppelt
werden, wobei das vorliegende Verfahren eine vorzugsweise schwache Kopplung
vorsieht, bei der der Schätzungs-Ladezustand vom Messungs-Ladezustand
abweichen kann. Gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird der Schätzungs-Ladezustand durch das Modell
vorgesehen, wobei die Integration des Messungs-Ladezustands bzw.
dessen Aktualisierung über eine regelmäßige
oder periodische Gleichsetzung des Messungs-Ladezustands zu dem
modellbasierten Schätzungs-Ladezustand vorgesehen wird.
Bei jeder Angleichung, die mittels PI-Regler vorgesehen werden kann
bzw. die durch Gleichsetzen vorgesehen wird, wird auch der Gütewert
zurückgesetzt, vorzugsweise auf einen geringen Wert, der
beispielsweise mit der Zeit ansteigt. Wie bereits bemerkt wird in
einer bevorzugten Ausführungsform das Gleichsetzen nur
zur Initialisierung ausgeführt, d. h. zu Betriebsbeginn
und nicht, wenn der Akkumulator in Betrieb ist bzw. nur kurze Betriebspausen
vorliegen.
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Das
Ansteigen mit der Zeit gibt die kontinuierliche Verschlechterung
des Integrationsverfahrens durch den sich aufsummierenden Fehler
wieder, bis ein erneuter Abgleich zwischen Integrationsverfahren
und Schätzverfahren durchgeführt wurde. Die Erhöhung
des Gütewerts mit der Zeit kann mit dem Vorsehen des Gütewerts
kombiniert werden, wobei beispielsweise nach jeder Messung einer
Leerlauf-Zeitdauer, die ausreichend lang ist, der Gütewert
wieder auf einen Minimalwert gesetzt wird. Das Zeitintervall, indem
der Gütewert zunehmend erhöht wird, beginnt unmittelbar
nach dem Ableiten des Schätzungsladezustands und dauert
bis zur darauffolgenden Schätzung an. Der Gütewert
wird zu Beginn des Zeitintervalls auf einen Minimalwert gesetzt,
der wiedergibt, dass durch die Normierung des Messungs-Ladezustands
bzw. des Integrationsverfahrens auf Grund einer Schätzung
die Genauigkeit des Messungs-Ladezustands gegenüber des
Schätzungs-Ladezustand sprungartig erhöht wurde.
Das Zeitintervall kann ferner nach einem vorbestimmten Zeitintervall
nach dem Ableiten des Schätzungs-Ladezustands beginnen.
Vorzugsweise umfasst das Ableiten eines Schätzungs-Ladezustands
auch die Kalibrierung des Integrationsverfahrens durch Gleichsetzen
des Messungs-Ladezustands gleich dem Schätzungs-Ladezustand,
um den neu gewonnenen Schätzungs-Ladezustand zeitlich unmittelbar
für den Messungs-Ladezustand zu nutzen.
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Grundsätzlich
kann eine Leerlauf-Zeitdauer oder eine Ableitung der Leerlaufspannung
nach der Zeit verwendet werden, wobei beide gemäß einer monoton
steigenden Funktion auf den Gütewert abgebildet werden.
Eine derartige Abbildung kann auch eine wertdiskrete Schwellwertbildung
umfassen, wobei der Schwellwert ein Leerlauf-Schwellwert oder ein
Schwellwert der abgeleiteten Leerlaufspannung ist, wobei ein Erreichen
des Schwellwerts ein plötzliches Ansteigen, beispielsweise
in Form einer steilen Rampe oder in Form eines Sprungs, des Gütewerts zur
Folge hat. Die monoton steigende Funktion entspräche somit
einer wertdiskreten Funktion, die eine Sprungfunktion oder eine
Rampenfunktion umfasst. In einer weiteren Ausführungsform
wird die zeitliche Ableitung der Leerlaufspannung zunächst
tiefpassgefiltert, bevor sie abgeleitet wird, um die zeitliche Ableitung
der Leerlaufspannung zu bilden. Die abgeleitete Leerlaufspannung
kann mit einem Verstärkungsfaktor proportional verstärkt
werden und kann quadriert werden, um große Ableitungswerte
von kleinen Ableitungswerten besser unterscheiden zu können.
Daraufhin kann die so modifizierte abgeleitete Leerlaufspannung
mit einem Begrenzer gemäß einer einstellbaren
Grenze in ihrer Amplitude limitiert werden, wobei das sich ergebende
begrenzte Signal über eine Verzögerung zurückgeführt
werden kann, um, zusammen mit einem konstanten Parameter (d. h.
als Summe), integriert zu werden. Das sich ergebende Signal kann
ferner angehoben werden durch Addition einer Konstanten, und einen
weiteren Begrenzer durchlaufen, dessen Ergebnis den Gewichtungsfaktor
darstellt.
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Neben
einer eindeutigen Abbildung der zeitlichen Ableitung auf den Gütewert
ist es somit auch möglich, diese beiden Größen über
eine komplexe Funktion miteinander zu verknüpfen, die beispielsweise über
eine Kanalimpulsantwort definiert sein kann und insbesondere von
zeitabhängigen Funktionen abhängig sein kann.
Die Funktion, welche die zeitliche Ableitung der Leerlaufspannung
auf dem Gütewert abbildet, kann somit eine komplexe Übertragungsform
sein, die wie oben beschrieben durch sukzessive Verarbeitungsschritte
wiedergegeben ist, oder die mittels einer vorzugsweise geschlossenen Formel
als Funktion im Frequenzraum oder als zugehörige Zeitfunktion
als Kanalimpulsantwort wiedergegeben sein kann.
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Durch
die variable Gewichtung und dadurch, dass Messungs-Ladezustand und
Schätzungs-Ladezustand (bei einer Gewichtungsfaktor größer
0) beide in den Integrator eingegeben werden, wird erreicht, dass
der Integrator die Differenz zwischen beiden Werten korrigieren
kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 eine
Erstausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens in Blockschaltbilddarstellung
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2 eine
zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens in Bockbilddarstellung; und
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3 eine
Blockschaubilddarstellung eines Verfahrens zum Vorsehen eines Gütewerts
zur Verwendung innerhalb des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
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Bezugnehmend
auf 1 werden zunächst der Akkumulatorstrom
Im und die Akkumulator-Klemmenspannung Um gemessen. Der gemessene Akkumulatorstrom
wird an einem Eingang 10 eingegeben, und die gemessene
Klemmenspannung wird an einem Eingang 20 eingegeben. Auf
die Eingabe des Akkumulatorstroms Im am
Eingang 10 folgt eine Integration des gemessenen Akkumulatorstroms
in einem Integratorblock 30, der die Ladungsdifferenz umfasst,
welche dem Akkumulatorstrom entspricht, diese über die
Zeit integriert und an einem Ausgang 40 einen Messungs-Ladezustand
(SOC, state of charge) ausgibt. Neben einem Block zum Vorsehen des
Messungs-Ladezustands ist eine Tabelle 50 vorgesehen, die
eine gemessene Leerlaufspannung Um in einen
Schätzungs-Ladezustand umwandelt. Der Schätzungs-Ladezustand
wird an dem Ausgang 60 der Tabelle 50 ausgegeben,
wobei die Tabelle 50 einen Eingang umfasst, an dem eine
gemessene Temperatur eingegeben werden kann. Gemäß der
gemessenen Temperatur wird die Zuordnung zwischen Leerlaufspannung
und Schätzungs-Ladezustand ausgewählt. Die Tabelle 50 ist
vorzugsweise als Look-Up-Tabelle vorgesehen, die in einem abrufbaren
Speicher hinterlegt ist, auf den eine Speicherzugriffseinheit zugreifen
kann, um den zugeordneten Schätzungs-Ladezustand am Ausgang 60 auszugeben.
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Erfindungsgemäß wird
ferner ein Gewichtungsblock 70 vorgesehen, der in 1 mit
dem Spannungsmesseingang 20 verbunden ist, um den Verlauf
der Klemmenspannung zu erfassen. Insbesondere wird im Gewichtungsblock 70 die
gemessene Klemmenspannung Um abgeleitet
und einem Gewichtungsfaktor W zugeordnet, der gemäß einer
monoton steigenden Funktion den Schätzungs-Gewichtungsfaktor
aus dem Betrag der zeitlichen Ableitung der Leerlaufspannung ermittelt.
Der Gewichtungsblock 70 sieht ferner einen Messungs-Gewichtungsfaktor
1-W vor, der komplementär zu dem Schätzungs-Gewichtungsfaktor
ist.
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In
einem Gewichtungsblock 42, der den Messungs-Ladezustand
mit dem Messungs-Gewichtungsfaktor 1-W multipliziert, und der Schätzungs-Ladezustand
wird in dem Gewichtungsblock 62 mit dem Schätzungs-Gewichtungsfaktor
W multipliziert, wobei beide Multiplikationsergebnisse in einem
Summierungsblock 80 zusammen addiert werden. Die Ausgabe
des Summierungsblocks 82, die der Summe der gewichteten
Ladezustände entspricht, wird als Ist-Ladezustand ausgegeben.
Alternativ kann auch der Ausgang des Integrators 40 den
Ist-Ladezustand vorsehen, wodurch der aktuell erfasste Akkumulatorstrom
bzw. dessen Integration durch Aktualisierung mit in den Ist-Ladezustand
aufgenommen wird.
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Der
Integrationsblock 30, der den Messungs-Ladezustand vorsieht,
ist über ein Kalibrierungsblock 90 mit der Tabelle 50 verbunden,
um den Schätzungs-Ladezustand als Messungs-Ladezustand
als aktuelle Integrationssumme zu übernehmen. Vorzugsweise
wird der Schätzungs-Ladezustand nur zur Initialisierung übernommen,
d. h. beim Inbetriebnehmen des Akkumulators bzw. nach sehr langen
Nutzungspausen bzw. nach Austausch des Akkumulators. Grundsätzlich
kann jedoch auch der Schätzungs-Ladezustand als Messungs-Ladezustand
häufiger übernommen werden, beispielsweise periodisch,
nach langen durchgehenden Integrationsvorgängen (bsp. nach
10 h oder nach einem Zeitraum, bei dem davon auszugehen ist, dass
der Integrationsfehler, bsp. durch Strom-Offset einen sehr hohen
Wert erreicht hat, bsp. > 100%).
Grundsätzlich könnte jedoch vorzugsweise jedes
Mal, wenn am Ausgang 60 ein neuer Schätzungs-Gewichtungsfaktor
abgeben wurde, dieser als Messungs-Zustand in den Integrationsblock 30 übernommen
werden. Da jedoch die erfindungsgemäße Gewichtung
dafür sorgt, dass ungenaue Werte weniger Einfluss auf das Ergebnis
haben, ist eine häufige Rücksetzung des Integrators
nicht notwendig. Insbesondere wird vorzugsweise auf eine Rücksetzung
während des Betriebs des Akkumulators verzichtet, da die
Rücksetzung mit einem Sprung des Ist-Ladezustands verknüpft
ist, der sich nachteilig auf Akkumulatorsteuerungen, Energiemanagement
u. a. auswirkt. Das Springen wird erfindungsgemäß verhindert,
indem die Gewichtungen kontinuierlich und nicht sprunghaft geändert
werden. Gemäß einem Aspekt der Erfindung ersetzt
die einstellbare Gewichtung beider Ladezustände (Messungs-
und Schätzungsladezustand) die Rücksetzung, so
dass eine Rücksetzung des Integrators auf den Schätzungs-Ladezustand
nur in Ausnahmen, bsp. Initialisierung zu Beginn oder bei Austausch
des Akkumulators ausgeführt wird.
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Der
Kalibrierungsblock 90 sieht somit nur in Ausnahmen eine
Verbindung zum Aktualisieren des Integrationswert vor, oder, in
einer prinzipiell möglichen Ausführungsform, regelmäßig,
beispielsweise jedes Mal, wenn der Schätzungs-Ladezustand
aktualisiert wurde (untere Schalterstellung). Ansonsten ist der
Integratoreingang mit dem Ausgang 82 des Additionsblocks 80 verbunden,
um den Messungs-Ladezustand zurückzuführen und
ihn gemäß einem integrierten Akkumulatorstrom
zu aktualisieren. Die Aktualisierung umfasst das Addieren der Ladungsdifferenz
zu dem Messungs-Ladezustand.
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Anstatt
der Verbindung zwischen Gewichtungsblock 70 und dem Klemmenspannungseingang 20 kann
der Gewichtungsblock 70 mit dem Akkumulatorstromeingang 10 über
eine Verbindung (nicht dargestellt) verbunden werden, um zu erfassen,
ob der Akkumulatorstrom unter einem Schwellwert liegt und (gemäß eines
Zeitgebers) die Leerlaufzeitdauer bereits vorüber ist,
während der der Akkumulatorstrom dauerhaft unter einem
Ruhe-Schwellwert liegt. In diesem Fall umfasst der Gewichtungsblock 70 vorzugsweise
einen Vergleicher, um den Schwellwert mit dem Akkumulatorstrom zu
vergleichen, sowie einen Timer, um die Länge der Leerlaufzeitdauer
zu erfassen. Wie bereits bemerkt wird bei Leerlaufzeitdauern über
einem Leerlauf-Schwellwert der Gewichtungswert auf ein Maximum gesetzt.
Bei der Verbindung, wie sie in 1 dargestellt
ist, bei der der Gütewert gemäß der zeitlichen
Ableitung der Klemmenspannung abgegeben wird, umfasst der Block 70 ferner
einen Differentiator und vorzugsweise ebenso einen Komparator, um
einen Schwellwert mit dem Betrag der zeitlichen Ableitung der Klemmenspannung zu
vergleichen.
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Die
Schaltung von 1 gibt den Ist-Ladezustand am
Ausgang 82 des Addierers 80 aus, wobei alternativ
der Ist-Ladezustand am Ausgang 40 des Integrators 30 ausgeben
werden kann. Der Unterschied liegt in der Aktualität der
Signale, wobei der Ausgang 40 des Integrators 30 die
aktuelle Stromintegration mit berücksichtigt, wobei bei
einen hohen Integrationsfehler (aufgrund eine langen ununterbrochenen
Stromintegration des Akkumulatorstroms Im) bei der Integration 30 vorzugsweise
der Ausgang 82 des Addieres 80 verwendet wird,
der somit den Fehler der neuesten Integratoraktualisierung nicht
mit beinhaltet. Zur geeigneten Auswahl kann ein Auswahlschalter
vorgesehen sein, der gemäß Dauer der Integration
bzw. gemäß Gütewert Ausgang 82 wählt (bei
hoher Dauer der Integration bzw. bei hohem Gütewert des
Schätzungsladezustands) oder Ausgang 40 wählt
(bei kurzer Dauer der Integration bzw. bei geringem Gütewert
des Schätzungsladezustands), um den Ist-Ladezustand abzugeben.
Der Auswahlschalter kann von einem Vergleicher gesteuert sein, der
Gütewert bzw. Dauer der ununterbrochenen Integration mit
einem jeweiligen Schwellwert vergleicht.
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Die
in 1 dargestellte Vorrichtung kann ferner eine zusätzliche
Verbindung zwischen Akkumulatorstromeingang 10 und Gewichtungsblock 70 umfassen,
wobei der Gewichtungsblock 70 den Akkumulatorstrom feststellt,
um diesen mit einem Ruhe-Schwellwert zu vergleichen, um nur bei
Strömen unterhalb des Ruhe-Schwellwerts zur zeitlichen
Ableitung der Klemmenspannung heranzuziehen. Dadurch ist gewährleistet,
dass während des Vorsehens der Ableitung der Leerlaufspannung
kein Strom fließt und somit die durch den zeitli chen Verlauf
der Klemmenspannung vorgesehene Gewichtung nur auf Grund eines Ausgleichsvorgangs
erfasst wird, während dem kein Strom fließt.
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Die 2 weist
wie die 1 einen Integratorblock 130,
einen Akkumulatorstromerfassungseingang 110, der für
den Akkumulatorstrom Im verwendet wird,
sowie einen Klemmensspannungseingang 120 auf, der zum Erfassen
der Klemmensspannung Um verwendet wird.
Ferner ist ein Integrator aus 140 vorgesehen, sowie eine
zugehörige Gewichtungsvorrichtung 142 für
den Messungs-Ladezustand, sowie Schätzungs-Ladezustandsausgang 160,
an den ein Schätzungs-Gewichtungsblock 162 angeschlossen ist.
Ferner ist ein Summierungsblock 180 vorgesehen, der einen
Ausgang 182 aufweist, welcher mit einem Kalibrierungsblock 190 verbunden
ist. Der Kalibrierungsblock 190 ist mit dem Integratorblock 130 verbunden,
sowie gegebenenfalls mit dem Ausgang der Tabelle 150. Ebenso
wie in 1 ist die Tabelle 150 ferner mit dem
Gewichtungsblock 170 verbunden, um dem Ableitungswert der
dort vorgesehenen Leerlaufspannung einen Gütewert zuzuordnen,
der sich nach dem Betrag der zeitigen Ableitung der Spannung richtet.
Zwischen Eingang der Klemmenspannung 120 und dem Eingang
der Tabelle 150 ist in der 2 dargestellten
Ausführung jedoch ein Akkumulator-Impedanzmodell 192 vorgesehen,
das die Klemmenspannung 120 sowie den Akkumulatorstrom 110 empfängt
und somit auch mit dem Akkumulatorstrom 110 verbunden ist.
Wie bereits beschrieben umfasst das Akkumulator-Impedanzmodell ein
Modell, das kontinuierlich den gemessenen Akkumulatorstrom und die
gemessene Klemmensspannung dazu verwendet, um ein Modell zu führen, das
den aktuellen Betriebszustand des Akkumulators wiedergibt. Somit
kann das Akkumulator-Impedanzmodell 192 dazu verwendet
werden, um eine Leerlaufspannung Ui an einem Ausgang 194 abzugeben, die
der (virtuellen) Leerlaufspannung entspricht. Die vom Modell 192 errechnete
Leerlaufspannung wird am Ausgang 194 ausgegeben und der
Tabelle 150 eingegeben, die die Leerlaufspannung über
die dahin gespeicherte Zuordnung in einen Schätzungs-Ladezustand
am Ausgang 160 umwandelt.
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Wie
auch die Tabelle 150 umfasst das Modell 192 einen
Temperatureingang, über den eine aktuelle Temperaturinformation
in das Modell eingegeben wird, um das Modell, zusammen mit der Klemmenspannung
und dem Akkumulatorstrom mit tatsächlichen Betriebsparametern
zu versorgen, so dass das Modell 192 den internen Zustand
des Akkumulators genau nachführen kann. Anstatt der in 2 dargestellten
Verbindung zwischen Ausgang des Modells 194 und Gewichtungsblock 170 kann
auch eine Verbindung vorgesehen sein zwischen Gewichtungsblock 170 und
dem Eingang der Klemmensspannung 120, oder mit dem gemäß mit
dem Akkumulatorstrom 110, um eine Leerlaufsituation erkennen
zu können (d. h. Akkumulatorstrom unterhalb eines Ruhe-Schwellwerts
bzw. Betrag der zeitlichen Ableitung der Klemmenspannung unter einem
Schwellwert).
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Der
Kalibrierungsblock 190 sieht in 2 eine Kalibrierung
des Integratorblocks 130 gemäß dem Schätzungs-Ladezustand 160 vorzugsweise
nur bei Inbetriebnahme oder nur dann vor, wenn kein Schätzungs-Ladezustand
oder kein Schätzungs-Ladezustand mit einer Mindestgenauigkeit
vorliegt. Der Kalibrierungsblock ist in der verbleibenden Zeit mit dem
Ausgang 182 des Additionsblocks 180 verbunden.
Grundsätzlich können jedoch regelmäßige
oder periodische Kalibrierungen vorgenommen werden. Der ausgegebene
Ist-Ladezustand kann dem Ausgang 182 des Akkumulatorblocks 180 entsprechen, oder
kann dem Ausgang 140 des Integratorblocks 130 entsprechen.
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Bis
auf den Modellblock 192 entspricht somit die in 2 dargestellte
Ausführung vollständig der Ausführung
von 1, wobei die gleichen Elemente bis auf die in 2 führende 1 die
gleiche Bezugsziffer aufweisen. Abgesehen von dem Modellblock 192 und
dessen Verschaltung ist somit die in 2 dargestellte
Ausführung vollständig mit der in 1 dargestellten
Ausführung kombinierbar, wobei einzelne oben anhand 1 beschriebene
Merkmale als Merkmal für die Schaltung von 2 geeignet sind,
und umgekehrt.
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Die
Zuführungen des Akkumulatorstroms Im unter
Klemmensspannung Um sind in den 1 und 2 keine
tatsächlichen Zuführungen des Stroms bzw. der
Spannung selbst, sondern sind Zuführungen von (Mess-)Signalen,
die den jeweiligen Strom- bzw. Spannungswerten entsprechen. Die
in den 1 und 2 dargestellten Ausführungen
können durch Softwareprogrammierung in einem Prozessor implementiert
werden, oder können als Software/Hardware-Kombination implementiert
werden. Ferner können einzelne Bestandteile durch Analogschaltungen
ersetzt werden, beispielsweise ein Integrator, ein Vergleicher,
Gewichtungsblöcke, und ähnliches. Eine erfindungsgemäße
Vorrichtung umfasst einen Stromsignaleingang, einen Integrator,
einen Addierer, der an einen Integratorausgang angeschlossen ist,
sowie einen Messwertspeicher, der mit dem Addierer verbunden ist.
Ein weiterer Addierer dient zum Zusammenfügen der beiden
gewichteten Ladungszustandswerte, wobei diese über zwei
Multiplikatoren erzeugt wurden. Die Multiplizierer und der Addierer
der Ladezustandswerte kann als Gewichtungseinrichtung vorgesehen
sein. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst
ferner eine Gütewert-Zuordnungseinrichtung, die einen Gütewert
auf Schätzungs-Gewichtungsfaktoren bzw. Messungs-Gewichtungsfaktoren
abbildet, wobei die Gütewert-Zuordnungseinrichtung als
Tabelle vorgesehen sein kann, wie in 1 und 2 dargestellt
ist, oder durch eine Nährungseinrichtung vorgesehen sein
kann. Zur Erfassung der Leerlauf-Zeitdauer umfasst eine Vorrichtung
zur Ausführung der Erfindung vorzugsweise eine Zeitdauererfassungseinrichtung mit
einem Triggereingang und einem Vergleicher, der einen Ruhe-Schwellwert
mit einem Stromsignal vergleicht. Ferner umfasst die erfindungsgemäße
Vorrichtung vorzugsweise einen Differentiator, der ein Signal, bei spielsweise
ein Spannungssignal nach der Zeit ableitet, wobei der Differentiator
vorzugsweise mit einem Vergleich verbunden ist, der den Betrag der
Ableitung mit einem Schwellwert vergleicht. Der Differentiator kann
wie auch der Integrator in Block 130 zeitkontinuierlich
arbeiten, oder kann zeitdiskret und gegebenenfalls auch wertdiskret
arbeiten. Je nach Realisierungsart als analoge Schaltung oder als zeitdiskretes
Filter, die als Programmierung vorgesehen ist, sind die dargestellten
Blöcke zeit- und wertkontinuierlich, oder zeitdiskret und/oder
wertdiskret, beispielsweise bei einer Realisierung durch einen Programmcode.
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Zur
Realisierung des in 2 dargestellten Modellblocks 192 umfasst
eine erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise
ein Modell, das beispielsweise in Form von Code auf einem Prozessor
abläuft, oder das mittels einer Kombination von Hardware und
Software das Verhalten des Akkumulators nachstellt. Insbesondere
umfasst dieses Modell ein Modellblock, der die Akkumulatorimpedanz
gemäß Klemmenspannung und Akkumulatorstrom und
gegebenenfalls auch gemäß Temperatur modelliert,
um eine Spannung abzuschätzen, die an der Akkumulatorimpedanz
abfällt, um somit auf Grund des Klemmensspannungssignals
die elektromotorische Kraft des Akkumulators zu schätzen,
die als Leerlaufspannungswert an einem entsprechenden Leerlaufspannungswert-Eingang
abgegeben wird, beispielsweise am Eingang der Tabelle 150.
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In
der 3 ist ein Blockschaltbild dargestellt, das einen
erfindungsgemäßen Schritt des Vorsehens des Gütewerts
wiedergibt. Ferner kann das Blockschaltbild von 3 als
Blockschaltbild einer Vorrichtung verwendet werden, die das erfindungsgemäße
Verfahren umsetzt. Eine Klemmenspannung bzw. eine von dem Modell
erzeugte Leerlaufspannung wird am Eingang 210 eingegeben.
Der Eingang 210 ist mit einem Tiefpass 220 verbunden,
der das tiefpassgefilterte Signal an einem Ausgang 230 abgibt,
welcher mit einem Differentiator 240 verbunden ist. Der
Differentiator 240 ist mit einem Verstärker 250 verbunden,
der das vom Differentiator 240 ausgegebene Signal mit dem
(konstanten) Verstärkungsfaktor α verstärkt
und an einen daran angeschlossenen Quadrierer 260 abgibt.
Der Quadrierer 260 quadriert das vom Differentiator 240 vorgesehene
und vom Verstärker 250 verstärkte Signal,
welches ein Maß für die Änderung der
Eingangsspannung darstellt. Das vom Quadrierer 260 quadrierte
Signal wird einem Addierer 270 zugeführt, der
ferner einen (negativen) Abintegrationsparameter β zugeführt
wird. Das Ausgabesignal des Addierers 270 wird einem Beschränker 280 eingegeben,
der das Summierungssignal des Addierers 270 auf einen Intervall
von 0 bis 1 + γ beschränkt und darüber
bzw. darunter liegende Werte kappt. Der Ausgang des Beschränkers 280 wird
von einem Verzögerer 290 verzögert, der
das verzögerte Signal an den Addierer 270 abgibt.
Somit setzt sich das vom Addierer 270 abgegebene Signal
zusammen aus dem vom Quadrierer 260 abgegebene Signal,
dem (negativen) Abintegrationsparameter β, der vorzugsweise
als Konstante 300 vorgesehen wird, sowie aus dem vom Verzögerer 290 abgegebenen Signal,
welches dem verzögerten Ausgabesignal des Beschränkers 280 entspricht.
Die Rückkopplungsschleife, die den Addierer 270,
den Begrenzer 280 und den Verzögerer 290 umfasst,
sieht eine Integration vor, wobei das Ausgangssignal zwischen 0
und der einstellbaren Grenze 1 + γ limitiert ist. Die Größe des
Abintegrationsparameters β stellt die Steigerung von dem
Signal dar, das von dem Begrenzer 280 abgegeben wird, wenn
die Eingangsgröße 210 eine vom Betrag
her geringe zeitliche Ableitung aufweist. Zusammen mit dem Parameter γ kann
der Abintegrationsparameter β eine Totzeit einstellen.
Das vom Beschränker 280 abgegebene Signal wird
von einem (–1)-Multiplikator 310 negiert und einem
zweiten Addierer 320 zugeführt, der das negierte
Signal mit der Konstante 1, 330, addiert. Das
sich so ergebene Additionssignal wird von einem zweiten Begrenzer 340 begrenzt,
der Werte zwischen 0 und 1 passieren lasst und Werte außerhalb
dieses Intervalls kappt. Der zweite Begrenzer 340 sieht
an einem Ausgang 350 das Gewichtungssignal W vor, mit dem
der Schätzungs-Ladezustand gewichtet wird. Wie bereits
vermerkt wird der Messungs-Ladezustand mit der Gewichtung 1-W, d.
h. mit dem komplementären Signal, gewichtet.
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Die
in 3 vorgesehene Filterung durch den Filter 220 dient
zur Unterdrückung von Rauschen und kurzzeitigen Störungen.
Die durch die Quadrierer 260 vorgesehene Quadrierung dient
zur stärkeren Gewichtung großer Beträge
zeitlicher Ableitungen. Das vom Quadrierer 260 an den Addierer 270 abgegebene
Signal stellt ein Maß für den Betrag der Änderung
der Eingangsspannung dar. Der Quadrierer 260 sieht ferner
eine Betragsbildung der zeitlichen Ableitung vor, die ansonsten
durch ein Absolutwertelement ersetzt werden müsste, welches
das von dem Verstärker 250 abgegebene Signal mit
positiven Vorzeichen wiedergibt.
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Bei
zahlreichen Simulationen konnte nachgewiesen werden, dass die Komplexität
des Impedanzmodells deutlich verringert werden kann, wodurch sich
dessen Genauigkeit ebenso verringert, wobei jedoch die Erfindung
trotz der Verringerung der Modellgenauigkeit einen Ladezustand mit
deutlich erhöhter Genauigkeit vorsieht. Bei einem sehr
simplen Impedanzmodell beträgt gemäß einer
Untersuchung der Gesamtfehler der Stromintegration maximal 8% und
im Mittel 5%, wobei die Integration einen Offsetfehler von 1 Ampere
aufwies und bei einer Simulation eines Prozesses mit einer Dauer
von 13 Std. dies zu einer Abweichung von über 200% durch den
Integrator geführt hätte. Weitere Verifikationen der
Erfindung ergaben bei realistischen Belastungsprofilen und einem
Strom-Offset von +–2 A einen Fehler von 3–5%.
Eine Erfassung gemäß dem Stand der Technik hätte
auch hier eine um Größenordnungen höhere
Abweichung zur Folge gehabt.
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Die
Erfindung eignet sich insbesondere für die Verwendung zur
Ermittlung des Ladezustands von Traktionsakkumulatoren in Hybrid-Fahrzeugen oder
in Elektro-Fahrzeugen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19959019
A1 [0009]
- - DE 102006033629 A1 [0010]