DE102009009954B4

DE102009009954B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des Ladungszustandes einer Batterie

Info

Publication number: DE102009009954B4
Application number: DE102009009954.9A
Authority: DE
Inventors: Dr. Geisler Wolfgang; Thomas Broocks
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2009-02-23
Filing date: 2009-02-23
Publication date: 2021-03-11
Anticipated expiration: 2029-02-24
Also published as: DE102009009954A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung des Ladungszustandes einer Batterie (2), mittels eines Signalgenerators (3), der die Batterie (2) mit einem Wechselspannungssignal (Ug) beaufschlagt, und einer Auswerteeinheit (4), die ein Ausgangssignal (U(Ra); U(Ra+ Ri)) an der Batterie (2) erfasst und auswertet, wobei das Auswertekriterium eine Amplitude einer Spannung und/oder Phasenlage einer Spannung bei mindestens einer Frequenz ist und/oder eine Resonanzfrequenz ist, wobei in der Auswerteeinheit (4) der Amplitude und/oder Phasenlage und/oder Resonanzfrequenz einem Ladungszustand zugeordnet wird, wobei die Frequenz des Wechselspannungssignals (Ug) größer 1 MHz ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Ladungszustandes einer Batterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie.
Die Bestimmung bzw. Ermittlung des Ladungszustandes einer Batterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie, ist sehr wichtig, da ein nicht ausreichender Ladungszustand die Funktionsfähigkeit beeinträchtigt. Daher sind die verschiedensten Verfahren vorgeschlagen worden, um den Ladungszustand zu ermitteln.
Aus der WO 03 / 093 849 A1 ist ein Verfahren zum Testen einer elektrochemischen Batterie bekannt, bei dem bei verschiedenen Frequenzen eine Impedanz der elektrochemischen Batterie bestimmt wird. Diese Impedanzwerte werden dann in mehrere Modelle für die Batterie eingegeben, um passende Parameter der Batterie zu ermitteln, wie beispielsweise den Ladungszustand. Die Frequenzen liegen dabei zwischen 10 Hz und 10 kHz.
Aus der DE 103 45 057 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung des Ladungszustandes einer Batterie bekannt, wobei die Batterie mittels eines Signalgenerators mit einer Wechselspannung beaufschlagt wird, wobei die Frequenz bei unter 1 Hz bis zu 6 kHz liegen kann. Mittels einer Auswerteeinheit werden Spannung und Strom zur Bestimmung der Impedanz erfasst. Dabei ist in einer Ausführungsform vorgesehen, eine Phasendifferenz zwischen der Phase der Wechselspannung und der Phase der Stromstöße zu bestimmen. Diese Phasendifferenz wird für jeden gescannten Frequenzwert ermittelt, um die Frequenz zu bestimmen, bei der diese Phasendifferenz verschwindet (Durchtrittsfrequenz). Neben der Durchtrittsfrequenz können auch andere Frequenzen, z.B. die Resonanzfrequenz, ausgewertet werden.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein neues Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Ladungszustandes einer Batterie zu schaffen.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 3. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierzu ist vorgesehen, dass mittels eines Signalgenerators die Batterie mit einem Wechselspannungssignal beaufschlagt wird, wobei eine Auswerteeinheit mindestens ein Ausgangssignal an der Batterie erfasst und auswertet, wobei das Auswertekriterium eine Amplitude einer Spannung und/oder Phasenlage einer Spannung bei mindestens einer Frequenz ist und/oder eine Resonanzfrequenz ist, wobei in der Auswerteeinheit der Amplitude und/oder Phasenlage und/oder Resonanzfrequenz ein Ladungszustand zugeordnet wird. Die Erfindung nutzt dabei einen Effekt aus, der am Beispiel einer elektrochemischen Batterie erläutert wird. In elektrochemischen Batterien erfolgt der interne Ladungstransport über Ionen, die dann jeweils in die Elektroden eingebaut werden. In Abhängigkeit vom Ladungszustand der Batterie ändert sich die Zusammensetzung des Elektrolyten bzw. die Beweglichkeit der freien Ionen. Bei der Beaufschlagung mit einer Wechselspannung, deren Spannungswert unter der Nominalspannung der Batterie liegt, geraten bei geeigneter Frequenzwahl die Ionen in einen angeregten Zustand, was sich durch eine Wechselspannungsüberhöhung bemerkbar macht. In Abhängigkeit vom Ladungszustand der Batterie ändern sich dann Spannungsüberhöhung, Resonanzfrequenz und Phasenlage zwischen anregender Wechselspannung/-strom und angeregter Wechselspannung. Dabei ist der genaue Zusammenhang zwischen Ladungszustand und den obigen Messgrößen abhängig vom Batterietyp und der Batterieausführung und für jeden Typ bzw. Ausführung einmalig zu bestimmen und in der Auswerteeinheit abzulegen. Dabei sei angemerkt, dass vorzugsweise der Signalgenerator und die Auswerteeinheit gleichspannungsmäßig von der Batterie beispielsweise mittels Kondensatoren entkoppelt sind. Weiter sei angemerkt, dass die Ausgangssignale auch über Messwiderstände an der Batterie abgegriffen werden können. Die Messung der Spannung und/oder der Phasenlage kann dabei bei einer einzigen Frequenz oder aber auch bei mehreren nacheinander erfolgen. Zur Bestimmung der Resonanzfrequenz wird hingegen die Frequenz kontinuierlich oder stufenweise geändert und das absolute Maximum der Spannung bestimmt, wobei die Frequenz bei dieser maximalen Spannung die Resonanzfrequenz ist.
Dabei ist die oder sind die Frequenzen größer als 1 MHz, da erst ab diesem Frequenzbereich eine signifikante Anregung erfolgt. Die Frequenz wird dabei vorzugsweise an Batterietyp und Ausführung angepasst.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden zusätzlich die Batterietemperatur und/oder die Anzahl der Lade- und Entladevorgänge der Batterie bei der Ermittlung des Ladungszustandes berücksichtigt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:

1 eine schematische Schaltungsanordnung zur Ermittlung des Ladungszustandes einer Batterie,
2 Spannungsverläufe über der Frequenz an einer geladenen Batterie und
3 Spannungsverläufe über der Frequenz an einer entladenen Batterie.

In der 1 ist eine schematische Schaltungsanordnung einer Vorrichtung 1 zur Ermittlung des Ladungszustandes einer Batterie 2 dargestellt. Die Batterie 2 ist dabei in Form eines Ersatzschaltbildes einer idealen Batterie mit einer Nominalspannung U_b und einem komplexen frequenzabhängigen Innenwiderstand R_i, der das Resonanzverhalten der Ionen der Batterie 2 abbildet, dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Signalgenerator 3 zur Erzeugung eines Wechselspannungssignals U_g und eine Auswerteeinheit 4. Die Batterie 2 ist über einen ohmschen Widerstand R_a gegen Masse geschaltet. Zwischen Signalgenerator 3 und Batterie 2 ist ein erster Kondensator C1 geschaltet, der den Signalgenerator 3 und die Batterie 2 gleichspannungsmäßig voneinander entkoppelt. Entsprechend ist ein zweiter Kondensator C2 zwischen Batterie 2 und Auswerteeinheit 4 geschaltet. Die Auswerteeinheit 4 erfasst die Spannung U(R_a + R_i) und U(R_a), wobei die Spannung über den zweiten Kondensator C2 vernachlässigbar ist. Dabei ist die Spannung U(R_a) proportional zum Strom, den der Signalgenerator 3 liefert. Diese Aussage gilt, solange der Eingangswiderstand der Auswerteinheit 4 ausreichend hoch ist. Vorzugsweise erzeugt der Signalgenerator 3 eine Wechselspannung mit konstanter Amplitude. Die Amplitude ist dabei erheblich geringer als die Nominalspannung U_b der Batterie 2. Beträgt die Nominalspannung U_b der Batterie 2 beispielsweise 12 V, so liegt die Spannung U_g beispielsweise bei U_g = 2 Vss. Die Werte für C1 und C2 sind dann beispielsweise C1 = 10 µF und C2 = 10 nF. Der Widerstand R_a hat dann beispielsweise einen Wert R_a = 1 kΩ. Die Wechselspannung U_g des Signalgenerators 3 kann beispielsweise sinusförmig sein oder aber auch eine andere Signalform wie beispielsweise rechteckförmig oder sägezahnförmig aufweisen. Vorzugsweise ist der Signalgenerator 3 derart ausgebildet, dass die Frequenz veränderbar ist. Die Auswerteinheit 4 erfasst dann die Ausgangsspannungen U(R_a + R_i) und/oder U(R_a) und wertet diese nach Amplitude und/oder Phase aus. Hierzu verfügt die Auswerteeinheit beispielsweise über Referenzwerte für die Spannungen für den Batterietyp bzw. Batterieausführung. Dabei sind die Referenzwerte abhängig von den Parametern Frequenz und Ladungszustand der Batterie 2, so dass durch Vergleich auf den Ladungszustand der Batterie 2 zurückgeschlossen werden kann. Alternativ ist es auch denkbar, auch eine analytische Gleichung in der Auswerteeinheit 4 abzulegen. Neben oder zusätzlich zur Amplitude und/oder Phasenlage kann auch eine Resonanzfrequenz bestimmt werden, wobei die Frequenzlage einen Rückschluss auf den Ladungszustand erlaubt. Vorzugsweise werden alle drei Größen Amplitude, Phasenlage und Resonanzfrequenz sowie gegebenenfalls weitere Parameter wie Batterietemperatur und Anzahl der Lade- und Entladevorgänge bei der Ermittlung des Ladungszustandes berücksichtigt. Vorzugsweise handelt es sich bei der Batterie 2 um eine Fahrzeugbatterie, beispielsweise um eine elektrochemische Batterie oder eine Li-lonen-Batterie, wobei die Ermittlung des Ladungszustandes kontinuierlich oder periodisch während des Fahrbetriebes erfolgen kann. Dabei kann weiter vorgesehen sein, dass die Vorrichtung 1 in Zeiträumen, wo keine Ladungszustandsermittlung erfolgen soll, von der Batterie 2 galvanisch getrennt wird.
In der 2 sind die Spannungsverläufe für U(R_a + R_i) und U(R_a) für eine elektrochemische Blei-Säure-Batterie mit einer Nominalspannung von U_b = 12 V bei hoher Ladung (SOC < 95 %) über der Frequenz aufgetragen, wobei U_g = 2 Vss beträgt. Bei ca. 7,7 MHz ist dabei eine deutliche Überhöhung zu erkennen, wobei die Frequenz bei diesem Maximum als Resonanzfrequenz bezeichnet werden kann. Oberhalb von 8,5 MHz laufen dann U(R_a + R_i) und U(R_a) parallel.
In der 3 sind die Spannungsverläufe bei einer entladenen Batterie (SOC < 80 %) dargestellt. Zum einen ist deutlich, dass sich die Resonanzfrequenz in Bereiche über 8 MHz verschoben hat. Zum anderen weist der Spannungsverlauf U(R_a) ebenfalls ein ausgeprägtes Maximum auf. Anhand der Amplitude und/oder Phasenlage der Spannung bei einer Frequenz kann dann auf den Ladungszustand zurückgeschlossen werden. Gleiches gilt für die Frequenzlage der Resonanzfrequenz, da auch die sich mit dem Ladungszustand verändert.

Claims

Verfahren zur Ermittlung des Ladungszustandes einer Batterie (2), mittels eines Signalgenerators (3), der die Batterie (2) mit einem Wechselspannungssignal (U_g) beaufschlagt, und einer Auswerteeinheit (4), die ein Ausgangssignal (U(R_a); U(R_a + R_i)) an der Batterie (2) erfasst und auswertet, wobei das Auswertekriterium eine Amplitude einer Spannung und/oder Phasenlage einer Spannung bei mindestens einer Frequenz ist und/oder eine Resonanzfrequenz ist, wobei in der Auswerteeinheit (4) der Amplitude und/oder Phasenlage und/oder Resonanzfrequenz einem Ladungszustand zugeordnet wird, wobei die Frequenz des Wechselspannungssignals (Ug) größer 1 MHz ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Batterietemperatur und/oder die Anzahl der Lade- und Entladevorgänge der Batterie (2) bei der Ermittlung des Ladungszustandes berücksichtigt werden.
Vorrichtung (1) zur Ermittlung des Ladungszustandes einer Batterie (2), umfassend einem Signalgenerator (3), der die Batterie (2) mit einem Wechselspannungssignal (U_g) beaufschlagt, und einer Auswerteeinheit (4), die mindestens ein Ausgangssignal (U(R_a); U(R_a + R_i)) an der Batterie (2) erfasst und auswertet, wobei das Auswertekriterium eine Amplitude einer Spannung und/oder Phasenlage einer Spannung bei mindestens einer Frequenz ist und/oder eine Resonanzfrequenz ist, wobei in der Auswerteeinheit der Amplitude und/oder Phasenlage und/oder Resonanzfrequenz ein Ladungszustand zugeordnet wird, wobei die Frequenz des Wechselspannungssignals (U_g) größer 1 MHz ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Batterietemperatur und/oder die Anzahl der Lade- und Entladevorgänge der Batterie (2) bei der Ermittlung des Ladungszustandes berücksichtigt werden.