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Die
vorliegende Anmeldung nimmt Bezug auf die
japanischen Patentanmeldungen Nr. 2007-301648 ,
angemeldet am 21. November 2007 und Nr.
2007-301708 , angemeldet am 21.
November 2007. Der Inhalt der vorgenannten Patentanmeldungen ist
Teil der vorliegenden Beschreibung.
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Hintergrund der Erfindung
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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Detektion des internen elektrischen Zustandes einer Fahrzeugsekundärbatterie.
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Stand der Technik
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In
jüngster Zeit wurde die Kapazität einer Fahrzeugsekundärbatterie
(wiederaufladbare Batterie) stetig erhöht, um der wachsenden
Zahl elektrischer Verbraucher in einem Fahrzeug gerecht zu werden.
Daher hat das Vermeiden des Überladens und übermäßigen
Entladens der Fahrzeugsekundärbatterie in den letzten Jahren
sehr an Bedeutung gewonnen. Es ist daher nötig, zuverlässig
und genau Informationen zu detektieren, die den internen elektrischen
Zustand der Fahrzeugsekundärbatterie anzeigen, wobei die
Informationen Information über die Restladungskapazität
der Fahrzeugsekundärbatterie enthalten.
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In
diesem Zusammenhang offenbart das
japanische
Patent Nr. 3249788 eine herkömmliche Technik zur
Auswertung von Informationen die den internen elektrischen Zustand
einer Fahrzeugsekundärbatterie anzeigen. Die in dieser
Publikation vorgeschla gene Abschätztechnik nutzt eine Entladestromänderungscharakteristik
in Bezug auf Wellenformen der Änderungen in dem Entladestrom
unmittelbar vor dem Laden der Batterie mit konstanter Spannung.
Im folgenden wird diese Änderungscharakteristik als "Ladestromnäherungsfunktion"
bezeichnet. Diese Ladestromnäherungsfunktion wird genutzt,
um die Zeit bei der der Ladestrom einen vorgegebenen Endwert erreicht
(berechnete Zeit) zu berechnen, und um eine Kapazität die
bis zum Erreichen des endgültigen Ladestroms (Ladekapazität)
geladen wird und um eine Zeit, die für das Laden nötig
ist zu berechnen.
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Bei
vorher genannter Technik wird jedoch die Ladestromnährungsfunktion
durch Ungleichmäßigkeiten in dem polarisierten
Zustand der Batterie beeinflusst (z. B. durch Schwankungen), die
daher kommen, dass die Funktion von der Wellenform des realen Ladestroms
abgeleitet wird. Daher gibt es in vielen Fällen eine große
Differenz zwischen dem Zeitpunkt an dem der reale Ladestrom den
vorgegebenen Wert erreicht (z. B. reale Zeit) und der berechneten
Zeit. Dies führt dazu, dass die Genauigkeit der Ladekapazität
und der Zeit die für das Laden nötig ist und deren
Berechnung auf der vorgenannten berechneten Zeit beruht, gering
ist.
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Außerdem
wird die Ladestromcharakteristik gemäß der Technik
der vorgenannten Veröffentlichung berechnet, ohne den Einfluss
von Unterschieden in der Ladeeffizienz einer Batterie zu berücksichtigen.
Daher weist die Ladestromnäherungsfunktion besonders am
Ende eines Ladezyklus eine geringere Genauigkeit auf. Die Genauigkeit
der Berechnung der geladenen Kapazität und der Ladezeit
ist daher geringer.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist unter Berücksichtigung der vorgenannten
herkömmlichen Technik entstanden, und es ist ein Ziel der
vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Detektieren des internen elektrischen
Zustandes einer Fahrzeugsekundärbatterie bereitzustellen,
wobei die Vorrichtung die Zeit bis der Ladestrom während
eines Konstantspannungsladens einen Endwert erreicht genau berechnet.
Um das vorgenannte Ziel zu erreichen wird eine Vorrichtung bereitgestellt,
die den internen elektri schen Zustand einer Fahrzeugsekundärbatterie
bestimmt deren Spannung mit Hilfe einer Fahrzeugwechselstrommaschine
auf einen Zielwert geregelt wird, mit: einem Stromdetektor, der
einen Ladestrom, der zur Batterie hinfließt und einem Entladestrom
der von der Batterie wegfließt detektiert; Abtast- und
Haltemittel die den Strom der von dem Stromdetektor erfasst wurde
in bestimmten Intervallen abtastet und hält; Lademittel,
die ein Konstantspannungsladen bis auf einen vorgegebenen Wert an
der Batterie durchführen unmittelbar nachdem das Fahrzeug
gestartet wurde oder während des Betriebs des Fahrzeugs;
ein erstes Berechnungsmittel, das eine der Polarisation entsprechende
Größe berechnet, die einer Stärke der
Polarisation wie sie von der Batterie sofort nach dem Start des
Konstantspannungsladens verursacht wurde entspricht, wobei die Daten
des Ladestroms des Abtast- und Haltemittels genutzt werden; ein
Bestimmungsmittel das bestimmt ob eine Änderungsrate der
berechneten, der Polarisation entsprechenden Größe
geringer als ein vorgegebener Schwellwert ist oder nicht; ein zweites
Berechnungsmittel das den Wert des Ladestroms unter Nutzung der
Vielzahl der Werte des Ladestroms akkumuliert bis der Ladestrom
einen vorbestimmten Endwert erreicht; und ein Abschätzmittel
das den internen elektrischen Zustand der Batterie auf der Grundlage
des berechneten akkumulierten Wertes des Ladestroms abschätzt.
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Die
vorliegende Erfindung stellt außerdem ein Verfahren bereit,
das einen internen elektrischen Zustand einer Fahrzeugsekundärbatterie
bestimmt, deren Spannung mit Hilfe einer Fahrzeugwechselstrommaschine
auf einen Zielwert geregelt wird, wobei das Verfahren Schritte enthält,
die identisch zu den Komponenten der oben beschriebenen Vorrichtung
sind.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird der Zustand bei dem der Wechsel in der
der Polarisation entsprechende Größe nach dem
Beginn des Konstantspannungsladens langsamer wird, überwacht. Danach
werden gegenwärtige Änderungen des Ladestroms
unter Nutzung der vergangenen Änderungen des Ladestroms
berechnet. Die berechneten Ergebnisse werden genutzt um den internen
elektrischen Zustand einer Fahrzeugsekundärbatterie zu detektieren
oder zu bestimmen. Es ist daher möglich zur Bestimmung
des internen elektrischen Zustands der Batterie den Einfluss von
Unregelmäßigkeiten in der Polarisation während
des Ladens der Batterie zuverlässig zu verringern und dadurch die
Genauigkeit der Detektion zu erhöhen. Der interne elektrische
Zustand der Batterie ist zum Beispiel ein SOC (Ladezustand), ein
SOH (Allgemeinzustand) und Größen die den SOC
und SOH betreffen (wie zum Beispiel Größen die
durch das Subtrahieren des SOC oder SOH von der vollen Ladekapazität
der Batterie erhalten werden). Bevorzugterweise wird das Konstantspannungsladen
unmittelbar nach dem Motorstart ausgeführt. Befindet sich
der Motor im Aus-Zustand, ist es normal, dass jedes Laden oder Entladen
der Batterie gering ist, wobei die Polarisation in der Batterie
als annährend Null betrachtet werden kann. Es ist daher möglich,
die Genauigkeit der Berechnung der der Polarisation entsprechende
Größe zu erhöhen indem die Genauigkeit
der Detektion des internen elektrischen Zustands der Batterie verbessert
wird.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung
bereitgestellt, die den internen elektrischen Zustand einer Fahrzeugsekundärbatterie
bestimmt, deren Spannung mit Hilfe einer Fahrzeugwechselstrommaschine auf
einen Zielwert geregelt ist, mit: einem Stromdetektor, der einen
Ladestrom detektiert der zur Batterie fließt und einen
Entladestrom detektiert, der von der Batterie wegfließt;
einem Abtast- und Haltemittel, das den Strom der von dem Stromdetektor
detektiert wurde zu bestimmten Zeitintervallen abtastet und hält; ein
Lademittel, das unmittelbar nach dem Start des Fahrzeuges oder während
des Betriebs des Fahrzeuges ein Konstantspannungsladen der Batterie
bis zu einem vorgegebenen Wert durchführt; ein Berechnungsmittel,
das eine Ladestromfunktion berechnet, die eine vorübergehende Änderung
im Ladestrom basierend auf einer Vielzahl von Werten des nach dem
Beginn des Konstantspannungsladens abgetasteten und gehaltenen Werten
des Ladestroms; ein Speichermittel, das vorher einen Korrekturwert
oder eine Koekturfunktion, die mit dem Verschleiß der Batterie
korreliert ist, speichert; ein Korrekturmittel, das die Ladestromfunktion
durch den Korrekturwert oder die Korrekturfunktion korrigiert; ein
Akkumulationsmittel, das den Ladestrom basierend auf der korrigierten
Ladestromfunktion so lange akkumuliert, bis der Ladestrom einen
vorgegebenen Endwert erreicht; und ein Abschätzmittel,
das den internen elektrischen Zustand der Batterie auf der Grundlage
des berechneten akkumulierten Wertes des Ladestroms abschätzt.
Verglichen zu dem Fall in dem die Ladestromfunktion nicht korrigiert
wird, ist es möglich die Genauigkeit der Berechnung des
Ladestromakkumulationswertes zu erhöhen. Es ist nicht nötig,
bis zum Ende der Ladeperiode ein Langzeitkonstantspannungsladen
durchzuführen, wodurch die Nutzbarkeit der Batterie verbessert
wird und ein Verschleiß der Batterie durch häufiges
Langzeitkonstantspannungsladen vermieden wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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In
den beigefügten Zeichnungen zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm einer SOC-Berechnungsvorrichtung entsprechend einer
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die
als Vorrichtung zur Bestimmung des internen elektrischen Zustand
einer Fahrzeugbatterie dient;
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2 ein
Flussdiagramm eine Konstantspannungsladeprozesses wie er von einem
Prozessor in einer SOC-Berechnungsvorrichtung ausgeführt
wird,
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3 eine
typische Kurve einer Ladestromcharakteristik der Batterie wie sie
während der Konstantspannungsladekontrolle erstellt werden
kann;
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4 einen
Kurvenverlauf, der die Ladestromcharakteristik, eine Polarisationsfaktorcharakteristik
und eine Differentialwertcharakteristik des Polarisationsfaktors
erklärt, wie sie während des Konstantspannungsladens
erstellt werden;
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5 im
Vergleich den Kurvenverlauf einer herkömmlichen Ladestromcharakteristik
(A), die Ladestromcharakteristik gemäß der ersten
Ausführungsform (B) und einer tatsächlich gemessenen
Ladestromcharakteristik (C);
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6 ein
Flussdiagramm, das den Konstantspannungsladekontrollmechanismus
darstellt, wie er von einem Prozessor in einer SOC-Berechnungsvorrichtung
ausgeführt wird, wie sie in einer Vorrichtung für
den internen elekt rischen Zustand einer Fahrzeugbatterie, gemäß einer
zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung genutzt wird;
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7 einen
Kurvenverlauf, der die tatsächlich gemessene Charakteristik
eines Ladestroms während der Konstantspannungsladekontrolle
(A), eine Ladestromcharakteristik nach der Korrektur mit einer korrigierten
Ladestromfunktion (B), und eine Ladestromcharakteristik nach der
Korrektur durch eine Ladestromfunktion (C);
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8 einen
Kurvenverlauf, der die Korrelation der Ladestromwerten zu den Korrekturkoeffizienten
erläutert; und
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9 anhand
von vier Kurven (m1 bis m4) verschiedene Beziehungen zwischen Ladestromwerten
und den Korrekturkoeffizienten.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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In
Bezug auf die beigefügten Figuren werden im Folgenden Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung gemäß einer Vorrichtung
zur Detektion eines internen elektrischen Zustandes einer Fahrzeugsekundärbatterie
beschrieben.
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(Erste Ausführungsform)
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In
Bezug auf 1 bis 5, wird
im Folgenden eine erste Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform
ist die Detektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung als eine SOC (Ladezustand) Berechnungsvorrichtung für
eine Fahrzeugsekundärbatterie realisiert.
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1 zeigt
ein Blockdiagramm der SOC-Berechnungsvorrichtung 1. die
SOC-Berechnungsvorrichtung 1 ist in einem Fahrzeug so montiert,
dass die Vorrichtung 1 mit einem Fahrzeugspeicherelement 101 (im
weiteren als Batterie (wiederaufladbar oder Sekundärbatterie))
verbunden ist, ein Fahrzeuggenerator 102 (Fahrzeug AC Gene rator
= Fahrzeugwechselstrommaschine, d. h. beispielsweise Lichtmaschine)
angetrieben durch den Fahrzeugmotor (nicht gezeigt), und ein elektrischer
Verbraucher 103 ist in dem Fahrzeug befestigt. Der Generator 102 ist
als ein Feldspulentypgenerator ausgebildet. Der elektrische Verbraucher 103 wird
durch die Batterie 101 betrieben. Die Batterie 101 ist
als Sekundärbatterie ausgeführt als Blei-/Säurebatterie,
als Nickelwasserstoffbatterie oder als Lithiumbatterie. Jeglicher
Batterietyp kann als Nebenbatterie in der vorliegenden Ausführungsform
genutzt werden, beispielhaft wird in der vorliegenden Ausführungsform
die Bleisäurebatterie für Fahrzeuge genutzt.
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Die
SOC-Berechnungsvorrichtung 1 umfasst einen Stromsensor 104 um
den Lade-/Entladestrom zur Batterie hin oder von der Batterie 101 weg
zu detektieren und einen Speicherzustandsdetektor 105. Der
Stromsensor 104 gibt den detektierten Strom als Digitalsignal
aus. Der Speicherzustandsdetektor 105, der als elektrisches
Bauelement ausgeführt ist, ist ausgestaltet, um Informationen
zu berechnen, die auf den internen elektrischen Zustand der Batterie 101 hinweisen,
so wie zum Beispiel auf den SOC.
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Der
Speicherzustandsdetektor 105 enthält einen Puffer 106 durch
den er Spannungs- und Stromsignale erhält und einen Prozessor 107,
der als wesentlicher Berechnungsblock in der SOC-Berechnungsvorrichtung 1 dient,
und führt verschiedene Berechnungen hinsichtlich der Polarisation
innerhalb der Batterie 101 durch.
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Die
SOC-Berechnungsvorrichtung 1 ist auch mit einer elektronischen
Steuereinheit ECU 108 elektrisch verbunden. Diese ECU 108 ist
mit einer Generatorsteuereinheit 109 elektrisch verbunden.
Die ECU 108 ist verantwortlich für die Berechnung
der von dem Generator 102 zu erzeugenden Strom, basierend
auf dem SOC der von dem Prozessor 107 geliefert wurde und
mehreren Informationselementen INFve inklusive dem Motorzustand,
der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Generatordrehzahl.
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Die
Generatorsteuereinheit 109 kontrolliert den Ausgang des
Generators 102. Die Generatorsteuereinheit 109 kontrolliert
den Feldstrom für den Generator 102 mittels Rückkopplung
so, dass der Unterschied zwischen der Spannung der Batterie 101 und
einer vorgegebenen Regelspannung zu Null wird. Als Ergebnis wird
die Spannung der Batterie 101 auf diese vorgegebene Regelspannung
eingestellt. Außerdem erhält der Generator 102 von
der Generatorsteuereinheit 109 abhängig von dem
von der ECU 108 berechneten zu erzeugendem Strom ein Kontrollsignal,
so dass dieses Kontrollsignal den Generator veranlasst Strom, gemäß eines
Zielwertes übermittelt durch das Kontrollsignal, zu erzeugen.
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In
der Praxis sind der Puffer 106 und der Prozessor 107 in
dem Speicherzustandsdetektor 105 funktional durch Software
realisiert, die durch einen Mikrocomputer in dem Speicherzustandsdetektor 105 ausgeführt
wird. Natürlich kann alternativ dazu auch eine hart verdrahtete
Rechenschaltung mit Logikschaltungen und anderen Schaltungen angewandt
werden.
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Der
Puffer 106 ist geeignet, um in bestimmten Zeitintervallen
Wertepaare bestehend aus der Spannung V, der Batterie 101 und
des Stromes I, detektiert durch den Stromsensor 104 abzutasten
und zu halten. Wie später ausgeführt, berechnet
der Prozessor 107 den SOC der Batterie 101, wobei
der die Wertepaare (Spannung V und Strom I) von dem Puffer 106 als
Eingangsparameter verwendet.
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Konstantspannungsladekontrolle
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Im
Folgenden wird Bezug nehmend auf 2 der Betrieb
der Konstantspannungsladekontrolle, die charakteristisch für
das vorliegende Ausführungsbeispiel ist, näher
erläutert.
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2 zeigt
eine Unterroutine der Konstantspannungsladekontrolle, die von dem
Speicherzustandsdetektor 105 oder vielmehr durch den Prozessor 107 in
vorbestimmten kurzen Zeitintervallen wiederholt ausgeführt
wird. Diese Unterroutine wird von einem nicht gezeigten Haupt- oder
Managementprogramm kontrolliert, welches auch von dem Speicherzustandsdetektor 105 ausgeführt
wird. Diese Unterroutine wird auf den Motorstart hin oder zu gewünschter
oder vorbestimmter Zeit während des Betriebs des Fahrzeugs
aktiviert.
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Wenn
der Unterroutinenprozess der Konstantspannungsladekontrolle beginnt,
ermittelt der Prozessor 107, ob die Konstantspannungsladekontrolle
derzeit in Betrieb ist oder nicht, indem er zum Beispiel den Zustand
eines Bitschalters überprüft (Schritt S1). Ist
das Ergebnis JA (in Betrieb), geht der Prozess zu Schritt S2, während
im Falle eines NEIN (nicht in Betrieb) der Prozess zu Schritt S3
geht, in dem die Konstantspannungsladekontrolle gestartet wird,
um eine konstante Spannung an die Batterie 101 anzulegen.
Im Übrigen wird diese Konstantspannungsladekontrolle so
ausgeführt, dass die Stromerzeugung am Generator 102 (Fahrzeugwechselstrommaschine)
kontrolliert wird, so dass die Spannung der Batterie 101 auf
einer konstanten Spannung gehalten werden kann.
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Außerdem
beinhaltet die Ausführung von Schritt S1 eine Überprüfung,
ob eine plötzliche Verbindung mit einer Last oder die Trennung
von einer Last, oder eine plötzliche Änderung
in der erzeugten Spannung an Generator 102 aufgrund einer
plötzlichen Änderung der Motordrehgeschwindigkeit
(der Geschwindigkeit der Drehung des Motors) erkannt worden ist
oder nicht. Wenn bei Schritt S1 eine solche plötzliche Änderung
erkannt worden ist, wird angenommen, dass zurzeit die Konstantspannungsladekontrolle
nicht in Betrieb ist, auch wenn diese Kontrolle bis zu diesem Zeitpunkt
in Betrieb war. In diesem Fall springt der Prozess zu Schritt S4.
Dieser Annahmeprozess berücksichtigt, dass durch das Kontrollieren
des Feldstroms des Generators 102 eine Verzögerung
bewirkt wird. Im Übrigen ist es besser falls solch eine
plötzliche Änderung in der Stromerzeugung und
der Lastbedingung auftritt, die Konstantspannungsladekontrolle in 2 zu
stoppen und nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne neu zu starten.
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Bei
Schritt S2 liest der Prozessor 107 den Ladestrom Icv der
zur Batterie 101 hin fließt. Bei Schritt S4 berechnet
der Prozessor 107 eine, der Polarisation entsprechende
Größe P (diese dient als physikalisches Maß,
das den Polarisationszustand anzeigt: das Polarisationszustandsmaß)
und seinen Differenzwert ΔP, indem er den eingelesenen
Ladestrom Icv nutzt. In der vorliegenden Ausführungsform wird
die, der Polarisation entsprechende Größe P berechnet
durch die folgende Formel (1): Pn
= Pn – 1 + In·dt – 1/T·Pn – 1 × dt (1)
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Wobei
T eine Zeitkonstante bedeutet, n die gegenwärtige, der
Polarisation entsprechende Größe P, und n – 1
die letzte, der Polarisation entsprechende Größe
P der letzten Berechnung gemäß 2 wie
sie zu vorgegebenen Zeitintervallen dt wiederholt durchgeführt
wird. Daher zeigt Pn den gegenwärtigen Wert der, der Polarisation
entsprechende Größe P, Pn – 1 zeigt den
letzten Wert der, der Polarisation entsprechende Größe
P, und In zeigt den gegenwärtigen Wert des Ladestroms Icv.
Der Zeitunterschied zwischen dem gegenwärtigen Wert und
dem letzten Wert ist dt.
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Im Übrigen
wird in einer bevorzugten Ausführungsform der oben genannten
Formel (1) der letzte Wert Pn – 1 als 0 gesetzt. Um die
Berechnung in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zu vereinfachen, wird
die Berechnungsperiode der Unterroutine aus 2 und damit
der Stromabtastzyklus bei Schritt S2 gleich dem Intervall dt gesetzt.
Genauer gesagt ist T eine Zeitkonstante der Ladungsdiffusion in
den Batterieelektrolyten, die auf einen aus Experimenten gewonnenen
Wert festgelegt wird. Gemäß der Formel (1) ergibt
sich der gegenwärtige Wert der, der Polarisation entsprechende
Größe P (des Polarisationszustandsmaßes)
durch Addieren/Subtrahieren zu/von dem letzten Wert Pn – 1
beim letzten Abtasten, eines erhöhten Wertes In × dt
zwischen dem letzten und dem gegenwärtigen Abtastvorgangs
und einem verringerten Betrag Pn – 1 × dt/T, der
während dem Intervall dt zwischen dem letzten und dem gegenwärtigen
Abtastvorgang verringert wurde.
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Inzwischen
lässt sich der Differenzwert ΔP des Wert der,
der Polarisation entsprechende Größe P durch die
folgende Formel (2) ausdrücken: ΔP
= (Pn – Pn – 1)/dt = In – 1/T·Pn – 1 (2)
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Der
Prozess geht dann bei Schritt S5 weiter, indem der Prozessor 107 ermittelt,
ob der Differenzwert ΔP um weniger als einen vorgegebenen Schwellwert
Pth verringert wurde oder nicht. Ist das Ergebnis NEIN (das heißt
die Verringerung ist größer als Pth), springt
der Prozess zurück zur Hauptroutine. Andererseits, falls
das Ergebnis JA ist (das heißt die Verringerung ist kleiner
als Pth), erkennt der Prozessor 107, dass die Polarisation
in der Batterie 101 auf eine bestimmte Stärke
der Ladungspolarisation stabilisiert wurde. In diesem Fall kann
der Prozess zu Schritt S6 gehen, bei dem der Prozessor 107 die
Ladeströme Icv1 bis Icv31 liest, die während einer
vorbestimmten Zeit T, die beginnt, wenn der Differenzwert ΔP
um weniger verringert wurde als der Schwellwert Pth, abgetastet
und gespeichert wurden.
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Dann
geht der Prozessor 107 weiter zu Schritt S7, bei dem die
eingelesenen Ladeströme Icv1 bis Icv31 genutzt werden,
um eine Näherungsformel I
= K + a·exp(b·t) (3)zu berechnen,
wobei eine bekannte Näherungsmethode wie die der kleinsten
Quadrate genutzt wird, so dass diese Näherungsformel eine
zeitliche Änderungscharakteristik des Ladestroms angibt.
In dieser Näherungsformel bedeutet I den Ladestrom K, a,
b bedeuten Konstanten, die zum Beispiel durch Experimente bestimmt
werden können und t bedeutet die vergangene Zeit seit dem
Start des Konstantspannungsladens. Die Konstante K kann auf 0 gesetzt werden.
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Der
Prozess geht weiter bei Schritt S8, an dem der Prozessor 107 einen
vorbestimmten Entladestromwert Icv(final) in die erhaltene Näherungsformel
einsetzt und zur gegenwärtigen Zeit eine Endzeit Tf bestimmt,
an der die Konstantspannungsladekontrolle beendet sein wird. Bei
Schritt S8 integriert der Prozessor 107 außerdem
den Ladestrom Icv während der gegenwärtigen Zeit
bis zur Endzeit Tf, so dass ein integrierter Wert a des Ladestroms
Icv erhalten wird (zum Beispiel a = ∫Icv·dt).
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Der
endgültige Ladestromwert Icv(final) wird auf einen Wert
gesetzt, wie er bei einem SOC von 90% der Batterie 101 in
einem Zustand, in dem die Konstantspannungsladekontrolle unter den
vorangegangenen Bedingungen ausgeführt wurde, erhalten wird.
Dieser endgültige Ladestromwert Icv(final) wird im Vorfeld
durch Experimente oder andere Mittel festgesetzt. Bei Schritt S9
wird der gegenwärtige SOC durch Subtrahieren des integrierten
Wertes a des Ladestroms Icv (a = ∫Icv·dt) von
dem SOC 90% mit Genauigkeit berechnet. Außerdem wird in
Schritt S9 auch abgeschätzt, bis zu welcher Ladekapazität
geladen werden muss, um von nun an den SOC 90% zu erhalten. Bei
Schritt S10 endet das Konstantspannungsladen.
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Gemäß dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es daher möglich,
den Ladezustand der Batterie 101 in verschiedenen Situationen
genau zu bestimmen. Diese Situationen beinhalten auch die Zeit unmittelbar
nach dem Motorstart mit reduzierter Ladekapazität der Batterie 101,
bei der eine vorbestimmte Ladekapazität benötigt
wird. Diese Situationen beinhalten auch den Fall in dem eine große
Menge an elektrischen Verbrauchern zugeschaltet werden, insbesondere
während des Fahrzeugbetriebs. In diesen Situationen wird
die Batterie 101 stärker geladen, indem der Generator 102 einen
höheren Ladestrom liefert um die Verringerung des Batterie-SOC zu
kompensieren. In der Praxis heißt das, falls durch das
anhaltende Konstantspannungsladen in dem oben genannten Ladeschritt
eine Entladepolarisation erzeugt wird, verschwindet diese Entladepolarisation bald,
so dass innerhalb des vorbestimmten Zeitintervalls nach dem Start
des Konstantspannungsladens ein stabiler Ladepolarisationszustand
hergestellt werden kann, in die Stärke der Polarisation
entsprechend der Ladespannung generiert wird. Gemäß der vorliegenden
Ausführungsform wird die Zeit, zu der die Stabilisierung
beendet ist dadurch ermittelt, indem geprüft wird, ob die Änderung
in der, der Polarisation entsprechenden Größe
P kleiner als ein vorbestimmter Schwellwert Pth wird oder nicht.
Außerdem wird der Ladestrom nur wenn ein stabiler Zustand
mit einer bestimmten Stärke der Ladepolarisation erreicht
ist, an den bestimmten Zeitintervallen abgetastet, um die notwendigen
Abtastdaten zu bekommen. Diese abgetasteten Stromdaten werden genutzt,
um die Ladestromcharakteristik zu bestimmen. Diese Charakteristik
wird dann genutzt, um den integrierten Wert des Ladestroms (a = ∫Icv·dt)
zu bestimmen, der während eines Zeitintervalls von der
gegenwärtigen Zeit bis zum Erreichen der Zeit an dem ein
vorbestimmter SOC-Wert (zum Beispiel 90%) erreicht ist nötig
ist. Es ist daher möglich, den gegenwärtigen SOC-Wert
und eine Menge an Ladung, die nötig ist, um den vorbestimmten
SOC-Wert zu erreichen, sofern das Konstantspannungsladen schon gestartet wurde,
zu bestimmen. Diese Berechnung kann ohne den Einfluss von Ungleichmäßigkeiten
im Polarisationszustand ausgeführt werden. Diese Technik
kann auch genutzt werden, um ein Überladen zu detektieren.
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Im
Bezug auf 3 werden weitere praktische
Beispiele beschrieben.
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3 erläutert
eine Ladestromcharakteristik, die erhalten wird wenn eine nicht
voll geladene Batterie einem Konstantspannungsladen unterzogen wird.
Zum Beginn des Konstantspannungsladens entsteht ein anfänglicher
Ladebereich, indem, der Graph ein Abnehmen des Ladestroms wegen
der Erhöhung der geladenen Kapazität zeigt. Besonders bei
einer Bleisäurebatterie kann der Einfluss der Erzeugung
von Polarisation größer sein als bei anderen Typen
von Batterien. Die herkömmliche Näherungsformel
für Ladestrom unter Konstantspannungsladebedingungen lässt
den Einfluss von Ungleichmäßigkeiten der Polarisation
und anderen unberücksichtigt.
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Im
Gegensatz dazu nutzt das vorliegende Ausführungsbeispiel
Werte des Ladestroms, die bei bestimmten Intervallen nach einer
vorbestimmten Zeit seit dem Start des Konstantspannungsladens abgetastet
wurden. Das Festsetzen der vorbestimmten Zeit ermöglicht
es, den Einfluss der Ungleichmäßigkeiten des Polarisationszustandes
in zuverlässiger Art und Weise zu entfernen. Die auf diese
Art und Weise abgetasteten Daten werden genutzt, um die Ladezustandscharakteristik
(zum Beispiel die Näherungsformel) zu ermitteln, und den
internen elektrischen Zustand der Batterie 101 mit Hilfe
der Ladestromcharakteristik zu ermitteln. Daher kann der Einfluss
von Unregelmäßigkeiten im Polarisationszustand,
wie er im Anfangszustand des Konstantspannungsladens auftritt, verhindert
werden, und daher eine höhere Genauigkeit bei der Bestimmung
der Ladestromcharakteristik beim Konstantspannungsladen erreicht
werden.
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Experimentelle Ergebnisse
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4 zeigt
ein experimentelles Ergebnis, das erhalten wird, wenn ein Ladevorgang
mit Konstantspannungsladen ausgeführt wird. Im Fall von 4 wurde
das Konstantspannungsladen zuerst gestartet und Stromwerte wurden
innerhalb von 30 Sekunden von der Zeit ab, an der der Differenzwert des
Wertes P, der ein Maß für die Polarisation ist
(Polarisationsindex), wie man ihn von den Ladestromwerten bekommt,
0 oder kleiner geworden ist. Eine Kapazität, integriert
bis ein Stromwert von 5 A, basierend auf dieser Näherungsformel,
erreicht wurde, ergab 6,4 Ah. Dieser Wert war fast der gleiche wie
eine tatsächliche Ladekapazität von 6,5 Ah, wobei
klar ist, dass die Ladekapazität mit höherer Genauigkeit
bestimmt werden kann.
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Außerdem
zeigt 5 im Vergleich experimentelle Ergebnisse, die
mit denselben Fahrzeugbleisäurebatterien durchgeführt
wurden, wobei Ladestromcharakteristiken A bis C gezeigt werden.
Die Ladestromcharakteristik A zeigt ein Experiment gemäß herkömmlicher
Technik ohne Berücksichtigung der Polarisation, die Ladestromcharakteristik
B zeigt ein anderes Experiment gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
und die Ladestromcharakteristik C zeigt ein weiteres Experiment,
in dem der Ladestrom tatsächlich gemessen wurde. In dem
Fall der herkömmlichen Technik (Charakteristik A) wurde
das Konstantspannungsladen für eine vorgegebene Zeit T
durchgeführt, während der der Ladestrom gemessen
wurde und die Ladestromwerte und die Zeit T genutzt wurden, um eine
Näherungsformel zu berechnen. In diesem herkömmlichen
Fall ist die Näherung ungenauer als der wirklich gemessene
Ladestrom (Charakteristik C). Im Gegensatz dazu wurde gemäß der
vorliegenden Ausführungsform (Charakteristik B) die Näherungsformel
basierend auf den Ladestromwerten, die während einer vorbestimmten
Zeitperiode Tp ab der Zeit, bei der ΔP < 0 gilt und der relativen Zeit bestimmt,
ermittelt. Es ist klar, dass die Näherung gemäß der
vorliegenden Ausführungsform nahe der tatsächlich
gemessenen Ladestromcharakteristik C liegt und eine höhere
Näherungsgenauigkeit zeigt.
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Abschwächen der Polarisation
vor dem Start des Konstantspannungsladens
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In
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann der momentane
Wert Pn des Wertes P, der der Polarisation entsprechenden Größe
basierend auf der vorgenannten Formel 1 berechnet werden. Diese Formel
1 benötigt den letzten Wert Pn – 1 um den momentanen
Wert Pn berechnen zu können. Das gleiche gilt für
die Berechnung der Formel (2). In der ersten Berechnung der Formel
(1) basierend auf den Stromwerten, die bei den ersten und zweiten
Erfassungszyklen detektiert wurden, ist der letzte Wert Pn – 1
noch nicht berechnet. Da jedoch zu diesem Zeitpunkt der momentane
Lade-/Entlade strom nahezu konstant oder sehr klein ist, kann der
letzte Wert Pn – 1 als konstant oder 0 betrachtet werden.
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Sofort
nach dem Motorstart kann der integrierte Wert des Lade-/Entladestroms
einer Fahrzeugbatterie deren gespeicherte Ladung beim Starten des
Motors verbraucht wurde, daher als nahezu konstant betrachtet werden.
Wegen der Nichtbenutzung der Batterie für eine lange Zeit
kann daher die Polarisation der Batterie ebenfalls als nicht vorhanden
betrachtet werden. Es kann daher angenommen werden, dass eine konstante
Stärke der Entladungspolarisation unmittelbar nach dem
Entladen der Batterie wegen des Motorstarts erzeugt wird. Die Stärke der
Polarisation kann auf einen vorbestimmten Wert gesetzt werden.
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Außerdem
ist eine Batterie unmittelbar nach dem Start des Motors im Vergleich
zum vollgeladenen Zustand immer einer gewissen Entladung unterzogen.
Nach dieser Entladung unterliegt die Batterie einem Konstantspannungsladen.
Dieses Laden stellt notwendigerweise einen gewissen integrierten
Ladestrom bereit, was unmittelbar nach dem Motorstart ein Vorteil
des Konstantspannungsladens ist.
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Es
ist also möglich, Formel (1) zum Berechnen des momentanen
Wertes der Polarisation im Entladen für den Motorstart
zu berechnen. Dieser berechnete Entladepolarisationsbetrag kann
dem momentanen Wert P, der der Polarisation entsprechenden Größe
beim Starten des Konstantspannungsladens zugeordnet werden. Wie
der letzte Wert Pn – 1, der der Polarisation entsprechenden
Größe bei dem zweiten Detektionszyklus von Stromdaten
während des Konstantspannungsladens benötigt wird,
wird der momentane Wert Pn des vorangegangenen Wertes P, der der
Polarisation entsprechenden Größe während
des Entladevorgangs entsprechend genutzt. Während des Betriebs
des Fahrzeuges kann der SOC einer Fahrzeugsekundärbatterie
verschiedene Werte annehmen. Während des Fahrzeugbetriebs
führt der Anstieg der elektrischen Last oder die Verringerung
des erzeugten Stromes für eine bestimmte Zeit zu einem
Entladen der Batterie. In diesem Fall sollte ein Laden der Batterie
durchgeführt werden, um die Verringerung des SOCs auszugleichen.
Bevorzugt wird daher das Konstantspannungsladen dann begonnen, wenn
ein Entladevorgang für eine gewisse Zeit aufrecht erhalten
wird.
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Wenn
ein Entladevorgang eine gewisse Zeit aufrecht erhalten wird, wird
eine gewisse Stärke der Entladepolarisation in der Batterie
erzeugt. Bevorzugterweise folgt einem Entladevorgang ein Aufrechterhalten
des Lade-/Entladestroms bei geringeren Werten für eine
gewisse Zeit, um die Polarisation, verursacht durch die Entladung,
zu entfernen und dann das Konstantspannungsladen durchzuführen.
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Außerdem
kann es eine Zeitspanne geben, während der der Lade-/Entladestrom
so klein ist, dass die Polarisation als nicht vorhanden erachtet werden
kann, und aufrecht erhalten wird, bevor der Entladevorgang für
eine gewisse Zeit aufrecht erhalten wird. In dem Fall wird der Zeitpunkt,
an dem die oben genannte Aufrechterhaltung der Polarisation beginnt,
auf 0 gesetzt um den Betrag der Polarisation entsprechend der vorgenannten
Formel (1) (mit umgedrehten Vorzeichen) zu berechnen, wobei der
berechnete Betrag benutzt wird, um beim Beginn des Konstantspannungsladens
zu benutzen. Das heißt, der berechnete Betrag kann als
letzter Wert Pn – 1 des Wertes P, der ein Maß für
die Polarisation ist benutzt werden, welches beim zweiten Detektionsvorgang
des Ladestroms unter Konstantspannungsladung berechnet wird. Weiterhin
kann das vorangegangene Konstantspannungsladen mit einer Regelspannung
Vref + ΔV größer als die Normalregelspannung
Vref des Generators ausgeführt werden. In diesem Fall kann
die Polarisation als nicht vorhanden erachtet werden, wenn der Lade-/Entladestrom
unter einem gewissen Wert während einer gewissen Zeit vor
dem Beginn des Konstantspannungsladens während des Fahrzeugbetriebs
ist. Der letzte Wert Pn – 1 des Wertes P, der ein Maß für
die Polarisation ist, wie er beim zweiten Detektionsvorgang des
Ladestroms nach dem Beginn des Konstantspannungsladens benutzt wird,
kann auf 0 gesetzt werden. Dann fließt die Regelspannung
Vref + ΔV, deren Größe der Ladespannungsdifferenz ΔV
entspricht, immer während des Konstantspannungsladens,
so dass die Anwendung der Regelspannung Vref + ΔV bevorzugt
ist.
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In
einer Modifizierung der vorliegenden Ausführungsform wird
die Näherungsformel genutzt, um die Ladestromcharakteristik
unter Konstantspannungsladekontrolle abzuschätzen. Dies
ist jedoch nicht das einzige Beispiel. Zum Beispiel kann eine Tabelle
oder eine Gleichung vorab vorbereitet werden, wobei die Tabelle
oder die Glei chung die Beziehung zwischen den Absolutwerten der
Ladestromwerte Icv1 bis Icv31, einer Verringerung dIcv in dem Ladestrom
während einer gewissen Zeit (zum Beispiel 30 Sekunden),
und einer akkumulierten Kapazität festlegt. Aus dieser
Tabelle oder Gleichung kann die Ladestromcharakteristik ermittelt
werden.
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(Zweite Ausführungsform)
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Im
Bezug auf 6 bis 8 wird eine
zweite Ausführungsform der Detektionsvorrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Wie
in der ersten Ausführungsform wird gemäß der
zweiten Ausführungsform die Detektionsvorrichtung als SOC-Berechnungsvorrichtung
für eine Fahrzeugsekundärbatterie realisiert.
Im Übrigen werden, zur ersten Ausführungsform ähnlichen
oder identischen Bauteilen, dieser SOC-Berechnungsvorrichtung zur
Vereinfachung der Beschreibung die gleichen Bezugszeichen gegeben.
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Die
Hardware-Konfiguration dieser SOC-Berechnungsvorrichtung ist die
gleiche wie die in 1 beschriebene Vorrichtung 1,
mit Ausnahme, dass der Prozessor 107 entsprechend dem Flussdiagramm
in 6 arbeitet. Außerdem sind die Schritte
S11 bis S16 inhaltlich die gleichen wie die Schritte S1 bis S6. Wenn
unter diesen Schritten bei Schritt S15 JA ermittelt wird, erkennt
der Prozessor 107, dass die Polarisation ausreichend verschwunden
ist und geht zum Schritt S16. Wie beim vorangehenden Ausführungsbeispiel
liest Prozessor 107 bei diesem Schritt die Ladestrommengen
Icv1 bis Icv31, die während der vorbestimmten Zeit T (zum
Beispiel 30 Sekunden) beginnend von der Zeit, wenn der Differenzwert ΔP
um weniger als der Schwellwert Pth verringert wurde, abgetastet
und gespeichert sind.
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Dann
geht der Prozessor 107 weiter zu Schritt S17, bei welchem
die eingelesenen Ladestrommengen Icv1 bis Icv31 genutzt werden,
um die Näherungsformel I = K + a·exp(b·t)
(was Formel (3) entspricht) zu berechnen, und wendet diese Näherungsformel
als zeitliche Änderungscharakteristik des Ladestroms an,
was der Ladestromfunktion gemäß der vorliegenden
Erfindung entspricht. Im Übrigen ist diese Ladestrom funktion
nicht beschränkt auf die vorgenannte Näherungsformel,
vielmehr können verschiedene bekannte Näherungstechniken
zur Näherung der Stromdaten, die während der Konstantspannungsladeperiode
ermittelt wurden, genutzt werden. Dann geht der Prozess weiter zu
Schritt S18, wobei der Prozessor 107 die berechnete Näherungsformel
(die Ladestromfunktion) unter Nutzung der vorher zum Beispiel in
einem Speicher des Prozessors 107 gespeicherten Korrekturkoeffizienten
korrigiert. Diese Korrektur erzeugt eine korrigierte Ladestromfunktion
(vereinfacht, eine korrigierte Ladestromfunktion). Diese korrigierte
Ladestromfunktion kann anstelle der Nutzung einer mathematischen Formel
auch in einer Tabelle gespeichert sein. Die Korrekturkoeffizienten
werden später näher beschrieben.
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Bei
Schritt S19 ersetzt der Prozessor 107 einen vorbestimmten
Entladestromwert Icv(final) in der korrigierten Ladestromfunktion,
um eine Endzeit Tf, an der die Konstantspannungsladekontrolle, die
derzeit in Betrieb ist, enden soll, zu ermitteln. Außerdem wird
der Ladestrom Icv über eine Zeitdauer von der gegenwärtigen
Zeit bis zur Endzeit Tf akkumuliert, wobei angenommen wird, dass
die Konstantspannungsladekontrolle über diese Zeitdauer
weitergeführt wird. Dieser akkumulierte Ladestromwert a
wird, wie vorangehend beschrieben, als Summe a = ∫I·dt berechnet.
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Durch
Abziehen des integrierten Wertes a des Ladestroms Icv (a = ∫Icv·dt)
von dem 90%-SOC, wird der gegenwärtige SOC mit Präzision
berechnet. Außerdem wird bei Schritt S20 bestimmt, bis
zu welcher Kapazität geladen werden soll um von nun an
einen 90%-SOC zu erhalten. Bei Schritt S21 ist das Konstantspannungsladen
dann beendet. Um Stromdaten abzutasten, kann das Konstantspannungsladen
auch schon während Schritt S16 beendet werden.
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Ermittlung der Korrekturkoeffizienten
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Im
Folgenden werden die Korrekturkoeffizienten zur Korrektur der Ladestromfunktion
(Näherungsformel) beschrieben. Die Korrekturkoeffizienten werden
genutzt, um die Langsamkeit der Verringerung des Ladestroms am Ende
des Konstantspannungsladens zu korrigieren, wobei die Langsamkeit einigen
Faktoren, inklusive der ver schlechterten Ladecharakteristik einer
Fahrzeugbatterie zugeordnet werden kann. Die Korrekturkoeffizienten
kann man durch eine Vielzahl an Techniken erhalten, einige werden
im Folgenden beschrieben.
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Die
erste Technik ist wie folgt. Wenn ein Ladestrom, den man von einer
Ladestromfunktion erhält, die auf Stromdaten bei jeweiligen
Zeitpunkten während des Konstantspannungsladens basiert,
als Referenz nimmt, hat ein Ansteigen des Ladestroms in Bezug auf
die Referenz eine positive Korrelation zu einer akkumulierten Zeit
des Ladens/Entladens einer Fahrzeugsekundärbatterie. Dieser
Anstieg wird größer, wenn der Lade-/Entladezyklus
länger wird.
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Die
korrigierte Ladestromfunktion Iy kann ausgedrückt werden
durch Iy = K' + a'·exp(b'·t) (4)wobei K',
a' und b' Koeffizienten sind, von denen K' ein Koeffizient oder
eine Funktion ist, dessen Variable der Originalkoeffizient K ist,
a' ein Koeffizient oder eine Funktion ist, dessen Originalkoeffizient
a ist und b' ein Koeffizient oder eine Funktion, dessen Originalkoeffizient
b ist. Die Originalkoeffizienten K, a und b sind in Formel (3) gezeigt.
Um die Berechnung zu vereinfachen, wird eine Funktion erster Ordnung
für jede dieser Funktionen bevorzugt. Natürlich
kann auch eine Tabelle benutzt werden, um die Koeffizienten zu bestimmen.
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Wird
eine Funktion oder Tabelle mit nicht konstanten Werten genutzt,
kann die Funktion oder Tabelle wie folgt erstellt werden. Zum Beispiel
können die Funktionen erster Ordnung oder Tabellen dieser
Koeffizienten K', a' und b' im Voraus erstellt werden, wobei deren
Variablen auf die akkumulierte Zeit T des Lade-/Entladestroms der
Batterie gesetzt wird. Die erzeugten Funktionen oder Tabellen werden
zum Beispiel in einem Speicher in dem Prozessor 107 gespeichert.
In diesem Fall wird die Zeit T in die Funktionen oder Tabellen ersetzt
oder eingesetzt, wobei die Koeffizienten K', a' und b' einheitlich
bestimmt werden können. Die akkumulierte Zeit T des Lade-/Entladestroms
kann auf verschiedene Techniken ermittelt werden. Zum Beispiel kann
ein Zähler ge nutzt werden, der den akkumulierten Wert der
Zeit, in der der Lade-/Entladestrom über einem vorbestimmten Wert
liegt, während einer Zeit, in der die Zündung
angeschaltet ist, zählt. Dieser Wert kann als annähernd gleich
zu der Lade-/Entladestromakkumulationszeit angenommen werden.
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Es
können auch nur einer oder zwei der Koeffizienten K', a'
und b' korrigiert werden. Zum Beispiel kann der Korrekturkoeffizient
Y gesetzt werden als a' = y·a, für den Koeffizienten
a.
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Die
Korrekturkoeffizienten können schon vor dem Verschicken
des Speichers durch den Herstellers in den Speicher geschrieben
sein. Alternativ dazu können die Korrekturkoeffizienten
mit Hilfe vorab gespeicherter mathematischer Formeln und mit Hilfe
von Zustandssignalen, die von einer Fahrzeugbatterie während
des Betriebs empfangen werden, berechnet werden. In diesem Fall
können die Zustandssignale Signale sein, die die Spannung,
den Strom, die Temperatur und/oder Betriebszeit der Batterie wiedergeben.
Eine weitere alternative Technik ist es, gelegentlich eine Langzeitkonstantspannungsladekontrolle
auszuführen, die bis zu einem Ladungsende der Batterie
(zum Beispiel bis zu der Zeit, an dem ein 90%-SOC erreicht ist),
und Ladestromwerte zu nutzen, die während der Kontrolle
zum Erhalten der mathematischen Formeln oder Tabellen, die die Korrekturkoeffizienten
ergeben, erhalten werden.
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Eine
zweite Technik ist wie folgt. Wenn ein Ladestrom, wie er von einer
Ladestromfunktion beim Konstantspannungsladen erhalten wird, als
Referenz genommen wird, haben sowohl eine maximale Menge als auch
eine Steigerungsrate des Ladestroms in Bezug zur Referenz eine positive
Korrelation zu einer erhöhten Zeitdauer des Konstantspannungsladens. Sowohl
die Maximalmenge als auch die Steigerungsrate wird größer,
wenn die Dauer des Konstantspannungsladens länger wird.
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Die
korrigierte Ladestromfunktion Iy wird durch die Formel (4) genauso
ausgedrückt wie schon in der ersten Technik erklärt.
Wenn für die Funktion oder Tabelle keine konstanten Werte
verwendet werden, ergibt sich die Funktion oder Tabelle wie folgt. Wie
zum Beispiel schon in der ersten Technik beschrieben, können
die Funktio nen erster Ordnung oder Tabellen dieser Korrekturkoeffizienten
K', a' und b' schon im Voraus vermittelt werden und genauso wie
bei der ersten Technik beschrieben verwendet werden.
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Experimentelle Ergebnisse
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7 zeigt
ausgewählte Ergebnisse von Messungen und Auswertungen der
Ladekapazität während des Konstantspannungsladens
einer herkömmlich genutzten Bleisäurebatterie
in einem Fahrzeug.
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Wie
in 4 gezeigt wurden die Experimente für
480 Sekunden mit einem Konstantspannungsladen durchgeführt,
wobei während dieser Zeit eine große Anzahl von
Ladestromwerten in Zeitintervallen ab dem Beginn des Konstantspannungsladens
abgetastet wurde. Entsprechende Wertepaare von Ladestromwerten und
Zeiten t seit dem Start des Konstantspannungsladens wurden zur Berechnung
der Ladestromfunktion I(t) = A·exp(B·t) herangezogen. Eine
korrigierte Ladestromfunktion Iy(t) = y·A·exp(B·t) wurde
durch die Anwendung des Korrekturkoeffizienten y auf die Ladestromfunktion
I(t) = A·exp(B·t) erhalten. Der differentielle
Koeffizient dIy(t) der korrigierten Ladestromfunktion Iy(t) kann
durch folgende Formel ausgedrückt werden: dIy(t) = y·A·B·exp(B·t)
= Iy(t) – Iy(t – 1) (5)wobei Iy(t)
den momentanen Wert der korrigierten Ladestromfunktion bedeutet,
Iy(t) – 1 den letzten Wert der korrigierten Ladestromfunktion
bedeutet und dt das Berechnungsintervall (Wiederholungszeit) der
korrigierten Ladestromfunktion bedeutet.
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Diese
korrigierte Ladestromfunktion wurde genutzt, um einen Wert des Ladestroms
zu ermitteln, wie er sich durch Akkumulation über eine
Zeit ergibt, bis der Ladestrom einen Endladestromwert Icv(final) erreicht
hat. Dieser Ladestrom Icv(final) wurde gleich dem Wert des Stromwertes,
der erzielt wird, wenn der 90%-SOC im Ladevorgang realisiert wird,
voreingestellt. Die Auswertung ergab, dass der akkumulierte Wert
für den Ladestrom (die geladene Kapazität) 5,8
Ah ergab. Im Gegensatz dazu ergab der gemessene akkumulierte Wert
des Ladestroms in dem tatsächlichen Experiment mit Konstantspannungsladung
6,2 Ah. Die kleine Abweichung von 0,4 Ah in beiden Fällen
zeigt dass die Auswertung sehr genau war.
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Der
akkumulierte Wert des Ladestroms wurde auch bestimmt mit der unkorrigierten
Ladestromfunktion. Diese Auswertung zeigt einen akkumulierten Wert
von 4,9 Ah, was eine Abweichung von nicht weniger als 1,3 Ah von
dem tatsächlich gemessenen Ladekapazitätswert
von 6,2 Ah bedeutet.
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8 zeigt
den Zusammenhang zwischen dem Korrekturkoeffizient y und dem tatsächlich
gemessenen Ladestrom während des Konstantspannungsladens.
Die Korrekturkoeffzienten y in 8 wurden
derart ermittelt, dass das Konstantspannungsladen durchgeführt
wurde, bevor die Batterien in den Fahrzeugen montiert wurden und
der tatsächlich gemessene Ladestromwert und der Wert, der
mit Hilfe der korrigierten Ladestromfunktion berechnet wurde, die
jeweils an jedem Messzeitpunkt während der vergangenen
Zeit erhalten wurden, wurden einem Prozess, der den mittleren quadratischen
Fehler ergibt, unterworfen.
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Egal
wie lange die Fahrzeugbatterie benutzt wird oder wie lange die Batterie
benutzt wurde, beeinflusst die Batteriecharakteristik (wie die Batterieladeeffizienz
und der batterieinterne Widerstand) die Batterie, so dass die Ladestromabnahmecharakteristik
während des Konstantspannungsladens (in Bezug auf 7)
sich ändert. Zieht man diese Tatsache in Betracht, werden
die vorgenannten Korrekturkoeffizienten y vorzugsweise abhängig
von den internen Zuständen der Batterie korrigiert, wobei
die Zustände zum Beispiel von der Betriebszeit abhängen.
Dieses Korrekturbeispiel ist in 9 gezeigt.
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Wie
in 9 gezeigt, werden Kurven m1 bis m4, die einen
Zusammenhang zwischen einer Vielzahl von Ladeströmen und
Korrekturkoeffizienten y darstellen im Voraus erstellt. Unmittelbar
nach dem Konstantspannungsladen werden tatsächlich gemessene
Ladestromwerte und eine Vielzahl von berechneten Ladestromwerten
benutzt, um eine geeignete Kurve m1 (bis m4) auszuwählen,
so dass geeignete Korrekturkoeffizienten y basierend auf der ausgewählten
Kurve (m1 bis m4) bereitgestellt werden können. Die Auswahl
wird so durchgeführt, dass das Fehlerquadrat zwischen den
tatsächlich gemessenen Ladestromwerten und jedem Satz von
berechneten Ladestromwerten minimal wird. Um die berechneten Ladestromwerte
zu erhalten, wird eine Ladestromfunktion der tatsächlich
gemessenen Ladestromwerte berechnet und die Funktion wird durch die
Korrektur der Ladestromfunktion mit jedem der Korrekturkoeffizientenkurven
m1 bis m4, wie sie in 9 gezeigt sind in jeder der
korrigierten Ladestromfunktionen korrigiert. Wird jede korrigierte
Ladestromfunktion genutzt, wird die Vielzahl an Sätzen berechneter
Ladestromwerte zu den gleichen Zeiten berechnet wie die tatsächlich
gemessenen Ladestromwerte.
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Gemäß der
vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, den
Ladezustand der Batterie 101 in verschiedenen Situationen
genau zu bestimmen. Diese Situationen beinhalten den Zeitpunkt unmittelbar
nach dem Motorstart bei reduzierter Kapazität der Batterie 101,
wenn eine vorbestimmte Ladekapazität benötigt
wird. Diese Situationen beinhalten auch den Zeitpunkt, bei dem eine
große elektrische Last angelegt wird, insbesondere während
des Fahrzeugbetriebs. In diesen Situationen wird die Batterie 101 stärker
geladen, indem die Stromgenerierung des Generators 102 erhöht
wird, um eine Verringerung des Batterie-SOCs auszugleichen.
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Die
vorliegende Ausführungsform kann derart modifiziert werden,
dass das Abtasten des Ladestroms nach einer vorbestimmten Zeit ΔT
ab dem Beginn des Konstantspannungsladens oder ab einer Zeit, an
der der Ladestrom durch einen gewissen Ladestrombetrag wie er beim
Start des Konstantspannungsladens erhalten wird, beginnt. Diese
Anpassung der Abtastzeitpunkte kann den Einfluss der Polarisation
(Ladungspolarisation), verursacht durch das Konstantspannungsladen,
verhindern oder verringern.
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Die
vorliegende Erfindung kann auch in verschiedenen anderen Formen
ausgeführt werden. Die beschriebenen Ausführungsformen
und Modifikationen sind daher nur beispielhaft und keinesfalls beschränkend
zu sehen, da der Schutzbereich der Erfindung durch die folgenden
Patentansprüche und nicht durch die Beschreibung bestimmt ist.
Alle Änderungen, die in die Schranken der Patentansprüche fallen
oder Äquivalente solcher Schranken, sollen daher von den
Patentansprüchen umfasst werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2007-301648 [0001]
- - JP 2007-301708 [0001]
- - JP 3249788 [0004]