DE102009013026A1

DE102009013026A1 - Verfahren zum Ermitteln der Technologie einer Batterie

Info

Publication number: DE102009013026A1
Application number: DE102009013026A
Authority: DE
Inventors: Ahmed Gamil
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2009-03-16
Publication date: 2010-09-23

Abstract

Ein Verfahren zum Ermitteln der Technologie einer Batterie, insbesondere einer in einem Fahrzeug eingesetzten Batterie, wobei zum Ermitteln der Technologie der Batterie Belastungsphasen der Batterie mit hohen Strömen ausgewertet werden, ist im Hinblick auf eine möglichst zuverlässige Aussage über die Technologie einer unbekannten Batterie, die nach kurzer Zeit und automatisiert getroffen werden kann, gekennzeichnet durch die Schritte: · Messen des Batteriestroms und der Batteriespannung während des Betriebs der Batterie, · Bestimmen von Kennwerten der Batterie aus zumindest Teilen des zeitlichen Verlaufs des gemessenen Batteriestroms und der gemessenen Batteriespannung, · Lösen von Kriteriengleichungen für die Kennwerte der Batterie und · Ermitteln der Technologie der Batterie, basierend auf den Lösungen der Kriteriengleichungen für die Kennwerte der Batterie.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Technologie einer Batterie, insbesondere einer in einem Fahrzeug eingesetzten Batterie, wobei zum Ermitteln der Technologie der Batterie Belastungsphasen der Batterie mit hohen Strömen ausgewertet werden.
In modernen Fahrzeugen werden zunehmend Diagnosesysteme eingesetzt, die den Zustand der Fahrzeugbatterie bewerten sollen. Hierzu werden beispielsweise die Kapazität, der Ladezustand, der Alterungszustand, die Säureschichtung und/oder eine Belastbarkeit der Batterie mit hohen Strömen abgeschätzt. Meist werden hierzu die Batteriespannung, der Batteriestrom und die Temperatur der Batterie gemessen und ausgewertet.
Problematisch bei diesem Verfahren ist, dass die Technologie der eingesetzten Batterie bekannt sein muss. Meist werden in Fahrzeugen Blei-Säure-Batterien eingesetzt, da diese mit hohen Strömen belastbar und gleichzeitig vergleichsweise günstig sind. Dabei sind verschiedene Batterietechnologien bekannt. In klassischen Nassbatterien sind die Elektroden in verdünnter Schwefelsäure eingetaucht, die zwischen den Platten der Elektrode frei beweglich eingebracht ist. Daneben sind Blei-Säure-Batterien bekannt, bei denen zum Auslaufschutz der flüssige Elektrolyt festgesetzt ist. Bei Gelbatterien wird dies durch chemische Zusätze, beispielsweise Kieselsäure, erreicht, wodurch der Elektrolyt zu einem Gel erstarrt. Bei Vliesbatterien ist der Raum zwischen den Elektroden durch ein Glasfaser-Vlies ausgefüllt, das den flüssigen Elektrolyten vollständig aufsaugt und dadurch ein Auslaufen der Batterie bei Verkippen oder Leckage verhindert. Diese Batterien werden häufig mit der Abkürzung AGM (Absorbent Glass Mat) bezeichnet.
Bei Austausch einer Batterie einer Technologie gegen eine Batterie einer anderen Technologie muss bei den bekannten Verfahren dem Diagnosesystem die neue Batterietechnologie bekanntgegeben werden. Dies hat zur Folge, dass ein Wechsel der Batterietechnologie lediglich in einer Werkstatt durchgeführt werden kann, in der Systeme zum Umprogrammieren des Diagnosesystems vorhanden sind. Daher kann ein Nutzer des Fahrzeugs nicht flexibel zwischen verschiedenen Batterietechnologien wechseln. Dieses Problem besteht auch in anderen Einsatzbereichen, in denen verschiedene Batterietechnologien prinzipiell einsetzbar sind.
Zum Beheben dieses Problems sind Verfahren zur Klassifizierung von Batterien bekannt. Ein derartiges Verfahren ist der DE 10 2007 030 365 A1 zu entnehmen, bei dem eine Unterscheidung zwischen Vliesbatterien und Nassbatterien ermöglicht ist. Hierzu wird die Nennkapazität der Batterie während mehrerer Starts des Fahrzeugs unter Verwendung jeweils einer Berechnungsformel für eine Vliesbatterie und für eine Nassbatterie bestimmt. Nach einer Vielzahl von Messungen werden der Mittelwert und die Standardabweichung der Verteilungen der Nennkapazität bestimmt, die für die beiden Batterietechnologien bestimmt worden sind. Eine Entscheidung für die eine oder die andere Batterietechnologie wird basierend auf die geringste Standardabweichung durchgeführt, d. h. ist die Standardabweichung für eine erste Technologie kleiner als die Standardabweichung für eine zweite Technologie, wird auf das Vorliegen einer Batterie mit der ersten Technologie geschlossen.
Problematisch bei dem in der DE 10 2007 030 365 A1 beschriebenen Verfahren ist, dass eine hohe Anzahl von Kapazitätswerten bei unterschiedlichen Temperaturen und Ladungszuständen notwendig ist, um eine einigermaßen zuverlässige Aussage über die eingesetzte Batterietechnologie treffen zu können. Dadurch muss die Batterie einige Zeit in einem Fahrzeug betrieben werden, bis eine zuverlässige Aussage über die Batterietechnologie getroffen werden kann. Dies hat wiederum zur Folge, dass bis zu diesem Zeitpunkt der Zustand der Batterie nur sehr ungenau bestimmbar ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei dem automatisiert nach relativ kurzer Zeit eine zuverlässige Aussage über die Technologie der eingesetzten Batterie getroffen werden kann.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist das in Rede stehende Verfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet:

• Messen des Batteriestroms und der Batteriespannung während des Betriebs der Batterie,
• Bestimmen von Kennwerten der Batterie aus zumindest Teilen des zeitlichen Verlaufs des gemessenen Batteriestroms und der gemessenen Batteriespannung,
• Lösen von Kriteriengleichungen für die Kennwerte der Batterie und
• Ermitteln der Technologie der Batterie basierend auf den Lösungen der Kriteriengleichungen für die Kennwerte der Batterie.

In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass basierend auf einzelne Kennwerte der Batterie eine zuverlässige Aussage über die Technologie der eingesetzten Batterie getroffen werden kann. Hierzu wird der zeitliche Verlauf des Batteriestroms und der Batteriespannung ausgewertet. In einem ersten Schritt werden daher der Batteriestrom und die Batteriespannung während des Betriebs der Batterie gemessen. Häufig werden diese Messwerte bereits für ein Diagnosesystem erfasst, so dass diese Werte zusätzlich für den Zweck des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzt werden können. In einem nächsten Schritt wird aus zumindest Teilen des zeitlichen Verlaufs des gemessenen Batteriestroms und der gemessenen Batteriespannung Kennwerte der Batterie bestimmt, d. h. es wird nicht zwangsläufig der gesamte zeitliche Verlauf der Messwerte ausgewertet. Hierzu werden insbesondere die Belastungsphasen der Batterie genutzt. Die Kennwerte der Batterie sind derart gewählt, dass sie Aussagen über die eingesetzte Batterietechnologie ermöglichen. In einem weiteren Schritt werden die bestimmten Kennwerte der Batterie in Kriteriengleichungen eingesetzt, und basierend auf die Lösungen der Kriteriengleichungen wird eine Entscheidung für eine Technologie der Batterie getroffen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht damit ein zuverlässiges Ermitteln der Technologie der eingesetzten Batterie. Die Kennwerte und Kriteriengleichungen lassen sich derart wählen, dass das Verfahren unabhängig von Batteriekapazität, Ladezustand, Temperatur und Belastungsphase der Batterie vor und nach einer Hochstrombelastung ist. Damit ist das Verfahren vollständig unabhängig von der eingesetzten Umgebung sowie von dem Zustand der Batterie. Es kann in relativ kurzer Zeit eine Unterscheidung zwischen den auswertbaren Batterietechnologien getroffen werden.
Vorteilhafterweise werden die Belastungsphasen der Batterie mit hohen Strömen durch Startvorgänge des Fahrzeugs hervorgerufen. Diese Hochstrombelastungen bieten den Vorteil, dass sie einen relativ eindeutigen Verlauf besitzen, der bei nahezu jedem Start in einem bestimmten Fahrzeug sehr ähnlich ist. Ferner werden Startvorgänge im Normalbetrieb eines Fahrzeugs zwangsläufig erfolgen, so dass keine zusätzlichen Maßnahmen ergriffen werden müssen.
Vorzugsweise dient das Verfahren zur Unterscheidung zwischen Nassbatterien und Vliesbatterien. Allerdings können prinzipiell auch andere Batterietechnologien mit dem erfindungsgemäßen Verfahren unterschieden werden. Ferner ist es prinzipiell denkbar nicht nur zwei Technologien gegeneinander zu unterscheiden. Vielmehr können durch das erfindungsgemäße Verfahren auch drei oder mehr Technologien unterschieden werden. Dies kann beispielsweise durch mehrfaches Anwenden der erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgen, wobei jede Anwendung eine Abgrenzung zwischen zwei Technologietechnologien ermöglicht.
Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung der Kennwerte unter Ausnutzung der Belastungsphasen der Batterie mit hohen Strömen. Hierzu wird der zeitliche Verlauf des gemessenen Batteriestroms und der gemessenen Batteriespannung während einer Belastungsphase ausgewertet. Dabei ist es notwendig, nicht lediglich eine, sondern mehrere Belastungsphasen der Batterie auszuwerten. Untersuchungen haben gezeigt, dass bereits sieben Belastungsphasen genügen, um zuverlässig Kennwerte der Batterie bestimmen zu können. Allerdings können bereits nach der Auswertung von weniger als sieben Belastungsphasen erste Aussagen getroffen werden. Es sei aber darauf hingewiesen, dass mit sinkender Anzahl von Belastungsphasen die Zuverlässigkeit der Auswertung stark abnimmt.
Zum Erkennen einer Belastungsphase wird vorzugsweise ein Spannungseinbruch in Folge der Belastung einer Batterie mit einem hohen Strom detektiert. Dieser Spannungseinbruch erfolgt im Allgemeinen in relativ kurzer Zeit und ist wegen der Spannungsänderung im Voltbereich relativ einfach detektierbar.
Vorzugsweise wird zur Bestimmung der Kennwerte der Batterie die Zeitspanne ΔT unmittelbar nach dem Spannungseinbruch ausgewertet. Aus der ersten Zeitspanne nach dem Spannungseinbruch kann eine große Anzahl von Informationen extrahiert werden. Ist die Belastungsphase durch einen Startvorgang gebildet, so hat sich eine Zeitspanne von etwa 100 ms als vorteilhaft erwiesen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass dies lediglich ein günstiger Wert ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Wert festgeschrieben. Größere und kleinere Werte können ebenso genutzt werden.
Bei der Auswertung einer kurzen Zeitspanne genügt es prinzipiell, wenn lediglich innerhalb der Phase der Hochstrombelastung der Batteriestrom und die Batteriespannung gemessen werden. Zur Vereinfachung des Triggerns der Messungen könnte der Strom und die Spannung kontinuierlich gemessen werden, wobei lediglich Messwerte in einer kurzen, unmittelbar zurückliegenden Zeitspanne, beispielsweise 150 ms, gespeichert werden. Damit reduziert sich die auszuwertende Datenmenge erheblich
Vorzugsweise wird als einer der Kennwerte ein Faktor R_F verwendet, wobei der Faktor R_F definiert ist als:
Zur Bestimmung des Faktors R_F werden mehrere Belastungsphasen ausgewertet. In jeder einzelnen Belastungsphase wird ein Startwiderstand R_st bestimmt, der als Quotient aus dem Betrag des Spannungseinbruchs U_E in Folge der Belastung der Batterie mit einem hohen Strom und der während dieser Belastungsphase maximal fließende Strom I_max definiert ist:
Ebenso wird in jeder Belastungsphase ein differentieller Widerstand R_d bestimmt. Der differentielle Widerstand R_d ist definiert als:
Dabei ist U_st die Batteriespannung und I_st der Batteriestrom während der Belastungsphase mit hohem Strom. Der differentielle Widerstand ist somit der Betrag der Ableitung der Spannung U_st nach dem Batteriestrom I_st, der über eine Zeitspanne ΔT gemittelt wird. ΔT beschreibt dabei die Zeitspanne, über die während der jeweiligen Belastungsphase die Batteriespannung und der Batteriestrom ausgewertet wird. Dabei ist im Allgemeinen eine einmal definierte Zeitspanne ΔT für alle Belastungsphasen gleich groß.
Aus den einzelnen ausgewerteten Belastungsphasen werden jeweils die Minimal- und die Maximalwerte des Startwiderstands R_st und des differentiellen Widerstands R_d bestimmt. Diese Maximal- und Minimalwerte bilden die in oben genannter Formel des Faktors R_F wiedergegebenen Werte R_st,max, R_st,min, R_d,max und R_d,min.
Vorzugsweise wird ein Kennwert durch eine Spannungsänderung U_cq gebildet, wobei die Spannungsänderung U_cq definiert ist als:
Dabei wird auch dieser Kennwert über mehrere Belastungsphasen hinweg bestimmt. In jeder Belastungsphase wird eine Ladung Q_st bestimmt, die während der Belastungsphase in einer Zeitspanne ΔT der Batterie entnommen wird. Die Ladung ist definiert als:
Des Weiteren wird in jeder Belastungsphase die Startkapazität C_st der Batterie bestimmt, die definiert ist als:
Es sei darauf hingewiesen, dass die Startkapazität C_st nicht mit dem Speicherungsvermögen der Batterie zu verwechseln ist, sondern die durch die Elektroden der Batterie gebildete Kapazität bezeichnet. In obiger Formel ist τ definiert als:
Dabei ist I_st der Batteriestrom, der während der Belastungsphase fließt, und ΔT die während der Belastungsphase ausgewertete Zeitspanne. avg(ΔT) bezeichnet die Mittelwertbildung über die Zeitspanne ΔT hinweg.
Der im Nenner der Formel von C_st enthaltende Startwiderstand R_st ist als Quotient aus dem Betrag eines Spannungseinbruchs U_E in Folge der Belastung der Batterie mit einer hohen Stromstärke und der maximal während der Belastungsphase fließenden Stromstärke I_max definiert:
Über die einzelnen ausgewerteten Belastungsphasen hinweg wird der maximale und der minimale Wert der Ladungen Q_st und der Startkapazität C_st als Q_st,max, Q_st,min, C_st,max und C_st,min bestimmt und in der Formel zu U_cq eingesetzt.
Mit einer Kriteriengleichung könnte jeweils eine Batterietechnologie repräsentiert sein. Damit würde durch eine Kriteriengleichung jeweils eine unterscheidbare Batterietechnologie repräsentiert. Dabei sind die Kriteriengleichungen derart aufgebaut, dass sie von den Kennwerten, die für eine unbekannte Batterie bestimmt wurden, abhängig sind. Durch das Einsetzen der für die unbekannte Batterie bestimmten Kennwerte in die Kriteriengleichungen ergibt sich somit ein Maß für die vorliegende Technologie der unbekannten Batterie.
Ein Ermitteln der Technologie der Batterie könnte dadurch erfolgen, dass die für die Batterie bestimmten Kennwerte zunächst in eine erste Kriteriengleichung eingesetzt werden und die Kriteriengleichung für diese Kennwerte gelöst wird. In einem nächsten Schritt würden die gleichen Kennwerte der Batterie in eine zweite Kriteriengleichung eingesetzt und die zweite Kriteriengleichung für die Kennwerte der Batterie gelöst. Durch Vergleich der Lösung der ersten Kriteriengleichung mit der Lösung der zweiten Kriteriengleichung lassen sich Aussagen über die Technologie der Batterie treffen.
Vorzugsweise werden die Kriteriengleichungen durch Untersuchung von Batterien bekannter Technologien bestimmt. Sind die Kriteriengleichungen geeignet gewählt, so hängen die Kriteriengleichungen lediglich von der Technologie der Batterie, nicht jedoch von der konkreten Bauform der Batterie ab. Unter der Bauform sind insbesondere die Größe der Batterie, die Form und der Aufbau der Elektroden zu verstehen. Dadurch können auf relativ einfache Art und Weise durch Messungen im Labor oder in einem Testfahrzeug mit einer bekannten Batterie die Kriteriengleichungen aufgestellt werden.
Vorzugsweise umfassen die Kriteriengleichungen eine Mittellinie ML, die als eine Grenze zur Unterscheidung zwischen den Batterietechnologien ermittelt wurde. Diese Ermittlung könnte in Laboruntersuchungen an bekannten Batterien oder in Fahrversuchen in einem Testfahrzeug, in das eine bekannte Batterie eingebaut ist, erfolgen. Die Mittellinie ist als eine Gerade in einem R_F-UR_F-Diagramm definiert: ML = am·RF + bm.
Dabei sind die Parameter a_m und b_m mithilfe der bekannten Batterien gefunden worden, während R_F eine Variable ist. Hier ist ein Kennwert einzusetzen, der für eine unbekannte Batterie bestimmt worden ist.
Eine andere Kriteriengleichung könnte durch ein Integral INT gebildet sein, wobei das Intergral INT definiert ist als:
U_cq und R_F sind dabei Kennwerte der unbekannten Batterie, während UR_ref als Mittelwert zwischen dem Produkt von Kennwerten von Batterien unterschiedlicher, aber bekannter Technologie beispielsweise in Laboruntersuchungen oder Fahrversuchen bestimmt wurde.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
1 einen beispielhaften Verlauf der Batteriespannung bei einem Start eines Fahrzeugs,
2 einen beispielhaften Verlauf des Batteriestroms bei einem Start eines Fahrzeugs, der mit dem Verlauf der Batteriespannung gemäß 1 korrespondiert,
3 ein R_F-UR_F-Diagramm zur Unterscheidung zwischen einer Nass- und einer Vliesbatterie,
4 ein Flussdiagramm, das das Bestimmen von Kriteriengleichungen ML und UR_ref verdeutlicht, und
5 ein Flussdiagramm, das die Ermittlung der Technologie einer Batterie widergibt.
Im Zusammenhang mit den Fig. soll zunächst verdeutlicht werden, wie Kriteriengleichungen, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet sind, bestimmt werden können. Die Bestimmung der Kriteriengleichung geht dem eigentlichen Ermitteln der Batterietechnologie einer unbekannten Batterie voraus. Die hierfür notwendigen Messungen erfolgen im Allgemeinen im Labor oder in Fahrversuchen in einem Testfahrzeug und sind lediglich von den eingesetzten und durch das Verfahren zu unterscheidenden Batterietechnologien abhängig. Im Anschluss an die Erläuterung des Bestimmens der Kriteriengleichungen wird die Ermittlung der Batterietechnologie beschrieben.
1 und 2 zeigen einen beispielhaften Verlauf der Batteriespannung und des Batteriestroms während eines Startvorgangs. In 1 sind bis zu einem Zeitpunkt zwischen 80 und 90 ms lediglich Störungen und kleinere Spannungsschwankungen vorhanden. Um etwa 100 ms herum bricht die Spannung signifikant um etwa 1,7 V ein. Dieser Spannungseinbruch um den Betrag U_E lässt sich einfach detektieren und lässt eine Belastungsphase der Batterie einfach erkennen. Die Spannung steigt in den folgenden 100 ms sukzessive wieder an, wobei die Schwankungen durch das Anlaufverhalten des Fahrzeugmotors verursacht werden. Mit zunehmender Drehzahl des Motors verändert sich das Drehmoment, das durch den Anlasser aufgebraucht werden muss. Damit reduziert sich wiederum dessen Stromaufnahme.
Der diesem Spannungseinbruch und der Erholungsphase entsprechende Stromverlauf ist in 2 dargestellt. Bei dem Spannungseinbruch U_E wird der Batterie die während des Startvorgangs maximale Stromstärke I_max entnommen. Die der Batterie entnommene Stromstärke I_st erholt sich im Mittel mit: I(t) = a·e–t/τ,wie in 2 durch die glatte Linie dargestellt. Auch beim Stromverlauf werden die Wellenbewegungen durch das Anlaufverhalten des durch den Anlasser angetriebenen Verbrennungsmotors verursacht.
In 1 und 2 ist zusätzlich eine mittlere Steigung dU_st/dt und dI_st/dt als Pfeile eingezeichnet. Aus diesen Steigungen lässt sich ein differentieller Widerstand bestimmten als
Dier differentielle Widerstand R_d ergibt sich durch Division von dU_st/dt und dI_st/dt sowie eine Betrag- und Mittelwertbildung während der ersten 100 ms des Startvorgangs. Aus 2 kann zusätzlich die Zeitkonstante des Stromverlaufs bestimmt werden, wobei die Zeitkonstante bis Erreichen von I_st (t) = 0,36·I_max definiert ist.
Aus 1 kann die Spannung U_filter entnommen werden, die vor dem Spannungseinbruch an den Batterieklemmen anliegt. Konkret wird die Spannung U_filter dadurch bestimmt, dass zunächst der Spannungseinbruch detektiert wird und Messwerte im Bereich von 20 bis 50 ms vor dem Spannungseinbruch gemittelt werden. Die minimale Spannung in 1 kann als Startspannung U_st, die bei maximalem Strom I_max an den Batterieklemmen anliegt, entnommen werden. Aus der Differenz zwischen der Startspannung U_st und der Spannung vor Spannungseinbruch U_filter kann der Spannungseinbruch U_E betragsmäßig bestimmt werden. Daraus lässt sich wiederum der Startwiderstand R_st zu
bestimmen. Aus dem Startwiderstand R_st und der Zeitkonstante τ kann die Startkapazität C_st der Batterie durch
bestimmt werden. Aus 2 lässt sich über Integration des fließenden Stroms innerhalb der ersten 100 ms über die Zeit die während der ersten 100 ms des Startvorgangs aus der Batterie entnommene Ladung berechnen:
mit ΔT = 100 ms. Damit sind sämtliche Parameter bekannt, die für das Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens in der hier beschriebenen Ausgestaltung benötigt werden. Hieraus lassen sich sowohl die Kriteriengleichungen aufstellen, als auch die Technologie einer unbekannten Batterie bestimmen.
Mit Bezugnahme auf das Flussdiagramm nach 4 soll das Aufstellen der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Kriteriengleichungen erläutert werden. Dazu wird eine Batterie bekannter Technologie in ein Fahrzeug oder in einer Fahrzeugsimulationsumgebung eingebaut und ein Fahrprofil mit sieben bis zehn Starts aufgenommen (Schritt 1). Für jeden der Starts wird der Startwiderstand R_st, die Startkapazität C_st, die während des Starts entnommene Ladung Q_st und der differentielle Widerstand R_d wie zuvor beschrieben bestimmt (Schritt 2). Jeder dieser Parameter wird in einem nächsten Schritt gespeichert (Schritt 3). Nach Beenden des Fahrprofils werden der Faktor R_F nach
und die Spannungsänderung U_cq nach
als Kennwerte der Batterie berechnet (Schritt 4). Dabei werden in obigen Formeln die Maximal- und Minimalwerte über die einzelnen Werte R_st, R_d, Q_st und C_st der Starts innerhalb des Fahrprofils bestimmt. Nach der Berechnung von R_F und U_cq werden diese abgespeichert (Schritt 5) und gegebenenfalls weitere Fahrprofile aufgenommen (Schritt 6).
Sollen keine weiteren Fahrprofile mehr aufgenommen werden (zweiter Ausgang in Schritt 6), werden die Kriteriengleichungen aufgestellt. Dazu wird zunächst UR_F bestimmt (Schritt 7). Dies geschieht mittels kumulativer Integration nach:
Zur Berechnung von UR_F werden zunächst die Werte aus den einzelnen Fahrprofilen nach aufsteigendem R_F sortiert. Danach werden die jeweiligen U_cq mit der Differenz ΔR_F zwischen zwei aufeinanderfolgenden R_F,n und R_F,(n-1) multipliziert und aufsummiert. Dies geschieht bis zum Erreichen des maximalen Kennwerts R_F,max. Da der maximale Kennwert R_F,max wegen der Definition von ΔR_F in der kumulativen Integration noch nicht enthalten ist, wird das Produkt RF,max·Ucq(RF,max) zu dem Integral hinzuaddiert. Damit ist mit UR_F ein Wert gegeben, der die Technologie einer bekannten Batterie repräsentiert. Die einzelnen sortierten Werte sind in 3 grafisch aufgezeichnet und mittels einer Geraden approximiert. Die Gerade stellt dabei eine recht gute Näherung der Messwerte dar.
Die Schritte (1 bis 7) werden für verschiedene Batterietechnologien durchgeführt. Handelt es sich bei der untersuchten, bekannten Batterie um das Profil einer Vliesbatterie (AGM; Absorbent Glass Mat) so wird der linke Zweig in 4 beschritten und zu Schritt 8 gewechselt. Wird eine Nassbatterie untersucht, erfolgt die Auswertung in dem rechten Zweig in Schritt 9. Aus dem bestimmten UR_F kann nun in den Schritten 8 und 9 relativ einfach für verschiedene R_F der bekannten Batterie die Geradengleichung URF,AGM = aAGM·RF + bAGM bzw. URF,Nass = aNass·RF + bNass. bestimmt werden. Daraus ergibt sich wiederum die Unterscheidungsgrenze einer Nassbatterie und einer AGM-Batterie als Gerade zwischen den beiden Geraden, die die Technologie der Nass- bzw. der AGM-Batterie repräsentieren:
Als weitere Kenngröße wird UR_ref berechnet nach:
Damit liegen in kompakter Weise drei Werte vor, nämlich die die Gerade ML definierenden Werte a_m und b_m sowie ein Wert UR_ref, die die Unterscheidung zwischen den Batterietechnologien Nassbatterie und AGM-Batterie eindeutig definieren. Neben diesen Werten benötigt ein System, das das erfindungsgemäße Verfahren durchführt, keine weiteren Angaben. Diese Werte werden in einem System hinterlegt, das in einem Fahrzeug die Technologie einer unbekannten Batterie ermitteln soll.
Die sich bei der Bestimmung der Kriteriengleichung ergebenden Werte sind in 3 in einem R_F-U_RF-Diagramm eingezeichnet. Die einzelnen Werte sind nach aufsteigenden R_F sortiert. Im oberen Bereich sind die Messwerte für eine untersuchte Nassbatterie eingezeichnet, während der untere Bereich die Messwerte für eine Vliesbatterie wiedergibt. Zwischen den beiden Linien ist eine Trendlinie eingezeichnet, die als Unterscheidungsgrenze zwischen den Batterietechnologien Nassbatterie und AGM-Batterie dient.
Anhand von 5 soll die Ermittlung der Technologie einer unbekannten Batterie verdeutlicht werden. Die unbekannte Batterie ist in einem Fahrzeug eingebaut, das in üblicher Weise genutzt wird. Ähnlich wie bei dem System nach 4 wird ein Fahrprofil mit sieben bis zehn Starts aufgenommen (Schritt 11). Während dieses Fahrprofils wird für jeden Start die Werte R_st, C_st, Q_st und R_d bestimmt und daraus werden mit den oben angegebenen Formeln die Kennwerte R_F und U_cq berechnet (Schritt 12). Diese beiden Kennwerte werden in die Kriteriengleichung: ML = am·RF + bm bzw.
eingesetzt (Schritte 13 und 14). a_m, b_m und UR_ref sind die Werte, die wie mit Bezug auf 4 beschrieben allgemein für bekannte Nass- und Vliesbatterien bestimmt worden sind. R_F und U_cq sind die für die unbekannte Batterie bestimmten Kennwerte.
Nach der Bestimmung der Lösungen der Kriteriengleichungen ML und INT in den Schritten 13 und 14 werden in einem nächsten Schritt die Ergebnisse der Kriteriengleichungen miteinander verglichen (Schritt 15). Ergibt der Vergleich, dass ML größer als das Intergral INT ist, so wird auf eine Vliesbatterie geschlossen. Ist ML kleiner als INT, liegt eine Nassbatterie vor. Da lediglich die in 5 dargestellten Schritte notwendig sind, um die Technologie einer unbekannten Batterie zu bestimmen, ist deutlich zu erkennen, wie schnell zuverlässige Aussagen über die vorliegende Batterietechnologie getroffen werden können. Lediglich sieben bis zehn Starts reichen hierfür aus. Dabei sind an die Starts keine weiterreichenden Anforderungen gestellt. Prinzipiell können die Starts des Fahrprofils in unmittelbarer Folge hintereinander durchgeführt werden. Es empfiehlt sich lediglich eine Erholungsphase zwischen den Startvorgängen einzuhalten, um nicht Messwerte zu erhalten, die von der Diffusion des Elektrolyten innerhalb der Batterie abhängig sind. Diese Erholungsphasen können jedoch im Bereich von etwa einer Minute gewählt werden. Ferner ist zu erkennen, dass lediglich einfache Berechnungen auf Fahrzeugseite notwendig sind, so dass lediglich wenige Rechenressourcen benötigt werden.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102007030365 A1 [0005, 0006]

Claims

Verfahren zum Ermitteln der Technologie einer Batterie, insbesondere einer in einem Fahrzeug eingesetzten Batterie, wobei zum Ermitteln der Technologie der Batterie Belastungsphasen der Batterie mit hohen Strömen ausgewertet werden, gekennzeichnet durch die Schritte: • Messen des Batteriestroms und der Batteriespannung während des Betriebs der Batterie, • Bestimmen von Kennwerten der Batterie aus zumindest Teilen des zeitlichen Verlaufs des gemessenen Batteriestroms und der gemessenen Batteriespannung, • Lösen von Kriteriengleichungen für die Kennwerte der Batterie und • Ermitteln der Technologie der Batterie basierend auf den Lösungen der Kriteriengleichungen für die Kennwerte der Batterie.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Belastungsphasen durch Startvorgänge des Fahrzeugs hervorgerufen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Unterscheidung zwischen Nassbatterien und Vliesbatterien eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Kennwerte der Batterie Messwerte des Batteriestroms und der Batteriespannung während mehrerer Belastungsphasen ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, mindestens 7 Belastungsphasen ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erkennen einer Belastungsphase ein Spannungseinbruch infolge einer Belastung der Batterie mit einem hohen Strom detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Kennwerte der Batterie jeweils eine dem Spannungseinbruch folgende Zeitspanne ΔT ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitspanne ΔT zu 100 ms gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennwerte der Batterie einen Faktor R_F umfassen, wobei der Faktor R_F definiert ist als:
wobei R_st,max und R_st,min der Maximal- und der Minimalwert von Startwiderständen R_st während der einzelnen ausgewerteten Belastungsphasen ist, wobei der Startwiderstand R_st als Quotient aus dem Betrag eines Spannungseinbruchs U_E infolge der Belastung der Batterie mit einer maximalen Stromstärke I_max während der zugehörigen Belastungsphase und der Stromstärke I_max definiert ist, wobei R_d,max und R_d,min Maximal- und Minimalwert von differentiellen Widerständen R_d ist, wobei der differentielle Widerstand R_d während einer Belastungsphasen definiert ist als
wobei 14 die Batteriespannung, I_st den Batteriestrom und ΔT eine während der zugehörigen Belastungsphase jeweils ausgewertete Zeitspanne beschreibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennwerte eine Spannungsänderung U_cq umfassen, wobei die Spannungsänderung U_cq definiert ist als:
wobei Q_st,max und Q_st,min der Maximal- und der Minimalwert der Ladungen ist, die während der einzelnen ausgewerteten Belastungsphasen in der jeweils ausgewerteten Zeitspanne ΔT der Batterie entnommen werden, mit:
wobei I_st den Batteriestrom während der Belastungsphase beschreibt, wobei C_st,max und C_st,min der Maximal- und der Minimalwert der Startkapazitäten C_st der Batterie während der einzelnen ausgewerteten Belastungsphasen ist, wobei C_st definiert ist als:
wobei R_st als Quotient aus dem Betrag eines Spannungseinbruchs U_E infolge der Belastung der Batterie mit einer maximalen Stromstärke I_max während der zugehörigen Belastungsphase und der maximalen Stromstärke I_max definiert ist und wobei τ definiert ist als
wobei ΔT eine während der zugehörigen Belastungsphase jeweils ausgewertete Zeitspanne beschreibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kriteriengleichungen die durch das Verfahren unterscheidbaren Batterietechnologien repräsentieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kriteriengleichungen in Untersuchungen an Batterien bekannter Technologie bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ermitteln der Technologie ein Vergleich der Lösung einer ersten Kriteriengleichung für die bestimmten Kennwerte der Batterie mit der Lösung einer zweiten Kriteriengleichung für die bestimmten Kennwerte der Batterie durchgeführt wird und dass basierend auf das Ergebnis des Vergleichs auf die Technologie der Batterie geschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kriteriengleichungen eine Mittellinie ML umfassen, wobei die Mittellinie ML = am·RF + bm,als eine Gerade in einem R_F-U_RF-Diagramm definiert ist, die als eine Grenze zur Unterscheidung zwischen den Batterietechnologien ermittelt wurde, wobei a_m und b_m feste Zahlen sind und wobei R_F ein Kennwert der Batterie als Variable der Gleichung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kriteriengleichungen ein Integral INT umfassen, wobei das Integral definiert ist als:
wobei UR_ref als Mittelwert zwischen dem Produkt von Kennwerten von Batterien unterschiedlicher, aber bekannter Technologien bestimmt wurde und wobei U_cq und R_F Kennwerte der Batterie als Variablen der Gleichung sind.