DE102012002279A1 - Schätzen des ladezustands einer kraftfahrzeugbatterie auf der grundlage eines spannungsabfalls - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren bereitgestellt, um einen Ladezustand einer Batterie für ein Fahrzeug zu bestimmen. Das Fahrzeug befindet sich in einem ladenden Zustand, wenn die Kraftmaschine betrieben wird, und in einem nicht ladenden Zustand, wenn die Kraftmaschine nicht betrieben wird. Eine erste Batteriespannung wird im nicht ladenden Zustand bei einer ersten vorbestimmten Zeitspanne gemessen, nachdem ein Laden der Batterie unterbrochen wurde. Eine erste Temperatur der Batterie wird gleichzeitig mit der ersten Batteriespannung gemessen. Eine zweite Batteriespannung wird bei einer zweiten vorbestimmten Zeit gemessen. Die zweite vorbestimmte Zeit ist größer als die erste vorbestimmte Zeit. Eine zweite Temperatur der Batterie wird gleichzeitig mit der zweiten Batteriespannung gemessen. Auf der Grundlage des ersten Temperaturmesswerts und des zweiten Temperaturmesswerts wird eine Durchschnittstemperatur berechnet. Auf der Grundlage der Durchschnittstemperatur wird eine feste Zeitkonstante bestimmt. Eine Leerlaufspannung wird als Funktion des ersten Spannungsmesswerts, des zweiten Spannungsmesswerts und der festen Zeitkonstante geschätzt. Ein Ladezustand der Batterie wird auf der Grundlage der geschätzten Leerlaufspannung bestimmt.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Eine Ausführungsform betrifft allgemein die Integration einer externen Vorrichtung in ein Fahrzeug.
  • Das Bestimmen eines Ladezustands (SOC) für eine Batterie kann unter Verwendung vielfältiger Techniken, die eine Coulomb-Zählung oder Parameterschätztechniken verwenden, durchgeführt werden. Die Coulomb-Zählung umfasst die Verwendung eines Messwerts (d. h. eines Leerlaufspannungsmesswerts), um den Batterieladezustand zu schätzen. Die Genauigkeit der Leerlaufspannung ist für die Bestimmung eines Ladezustands kritisch. Wenn es einen Messfehler gibt, etwa wenn der Stromsensor nicht genau ist, wächst ein Integrationsfehler schnell an, sofern nicht der Start-SOC häufig und genau aktualisiert wird.
  • Auf einer Parameterschätzung beruhende Algorithmen verwenden konstante Aktualisierungen von Leerlaufspannungen während des Fahrzeugbetriebs. Dies erfordert erhebliche Erregungen, die bei herkömmlichen Fahrzeugen nicht unbedingt verfügbar sind.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Ein Vorteil einer Ausführungsform ist das Schätzen des Ladezustands einer Fahrzeugbatterie, bevor sich eine Leerlaufspannung der Batterie nicht im Gleichgewicht befindet. Die Leerlaufspannung der Batterie wird unter Verwendung von Spannungsmesswerten geschätzt, die aufgenommen werden, bevor die Leerlaufspannung einen Gleichgewichtszustand erreicht, und während sich das Fahrzeug in einem nicht ladenden Zustand befindet. Die Spannungsmesswerte werden von einer Leerlaufspannungstechnik unter Verwendung eines Spannungsabfallmodells verwendet, um die Leerlaufspannung im Gleichgewicht zu schätzen. Die Leerlaufspannung wird einem Ladezustandswert zugeordnet, um den Ladezustand der Fahrzeugbatterie zu bestimmen.
  • Eine Ausführungsform betrachtet ein Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie für ein Fahrzeug. Das Fahrzeug befindet sich in einem ladenden Zustand, wenn die Kraftmaschine betrieben wird, und es befindet sich in einem nicht ladenden Zustand, wenn die Kraftmaschine nicht betrieben wird. Eine erste Batteriespannung wird in dem nicht ladenden Zustand bei einer ersten vorbestimmten Zeit nach dem Abbrechen eines Ladens der Batterie gemessen. Eine erste Temperatur der Batterie wird gleichzeitig mit der ersten Batteriespannung gemessen. Eine zweite Batteriespannung wird bei einer zweiten vorbestimmten Zeit nach der ersten vorbestimmten Zeit gemessen, wobei sich das Fahrzeug in dem nicht ladenden Zustand befindet. Die zweite vorbestimmte Zeit ist größer als die erste vorbestimmte Zeit. Eine zweite Temperatur der Batterie wird gleichzeitig mit der zweiten Batteriespannung gemessen. Eine Durchschnittstemperatur wird auf der Grundlage des ersten Temperaturmesswerts und des zweiten Temperaturmesswerts berechnet. Auf der Grundlage der Durchschnittstemperatur wird eine feste Zeitkonstante bestimmt. Eine Leerlaufspannung wird als Funktion des ersten Spannungsmesswerts, des zweiten Spannungsmesswerts und der festen Zeitkonstante geschätzt. Ein Ladezustand der Batterie wird auf der Grundlage der geschätzten Leerlaufspannung bestimmt.
  • Eine Ausführungsform betrachtet ein System zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie für ein Fahrzeug. Das Fahrzeug befindet sich in einem ladenden Zustand, wenn die Kraftmaschine betrieben wird, und in einem nicht ladenden Zustand, wenn die Kraftmaschine nicht betrieben wird. Das System umfasst eine Batterie und ein Spannungsmessgerät zum Messen einer ersten Batteriespannung im nicht ladenden Zustand bei einer ersten vorbestimmten Zeit, nachdem ein Laden der Batterie unterbrochen wurde. Das Spannungsmessgerät misst außerdem eine zweite Batteriespannung bei einer zweiten vorbestimmten Zeit, nachdem das Batterieladen unterbrochen wurde. Die zweite vorbestimmte Zeit ist größer als die erste vorbestimmte Zeit. Ein Temperatursensor misst eine erste Temperatur der Batterie gleichzeitig mit der ersten Batteriespannung und der Temperatursensor misst eine zweite Temperatur der Batterie gleichzeitig mit der zweiten Batteriespannung. Ein Steuermodul bestimmt eine feste Zeitkonstante als Funktion des ersten und zweiten Temperaturmesswerts. Das Steuermodul schätzt eine Leerlaufspannung im Gleichgewicht als Funktion der ersten Batteriespannung, der zweiten Batteriespannung und der festen Zeitkonstante. Das Steuermodul bestimmt einen Ladezustand der Batterie auf der Grundlage der geschätzten Leerlaufspannung.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Darstellung in Diagrammform einer Ausführungsform eines Fahrzeugs, das ein System zum Schätzen eines Ladezustands [englisch: state of art] einer Fahrzeugbatterie gemäß einer Ausführungsform aufweist.
  • 2 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Schätzen des Ladezustands der Fahrzeugbatterie gemäß der Ausführungsform.
  • GENAUE BESCHREIBUNG
  • 1 stellt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Fahrzeugs 10 dar, das ein Ladezustands-Schätzsystem (SOC-Schätzsystem) enthält. Das Fahrzeug 10 enthält eine Batterie 12 zum Starten des Fahrzeugs. Die Batterie 12 ist eine Bleisäurebatterie. Die Batterie besteht aus Zellen, die Elektroden (Kathode und Anode) aus Blei (Pb) und Bleioxid (PbO2) in einem Elektrolyt aus Schwefelsäure enthalten. Zum Speichern von Energie in der Batterie findet eine chemische Reaktion statt. Das Konzept besteht darin, Bleisulfat, das die Platten einer entladenen Batterie bildet, in Blei und Blei-Dioxid umzusetzen, welches die Platten einer geladenen Batterie bildet.
  • Die Fahrzeugbatterie 12 ist mit mehreren Vorrichtungen 14 elektrisch gekoppelt, welche die Batterie als Leistungsquelle verwenden. Das Fahrzeug 10 kann ferner einen Stromsensor 16, ein Spannungsmessgerät 18 und ein Steuermodul 20 enthalten.
  • Die mehreren Vorrichtungen 14 umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Leistungsausgänge, die an eine externe Vorrichtung, Zubehörvorrichtungen, Komponenten, Teilsysteme und Systeme eines Fahrzeugs angepasst sind. Der Stromsensor 16 wird verwendet, um den Strom zu überwachen, der die Fahrzeugbatterie 12 verlässt. Das Spannungsmessgerät 18 misst eine Spannung, sodass eine Leerlaufspannung (OCV) bestimmt werden kann. Ein Steuermodul 20 oder ein ähnliches Modul beschafft, leitet her, überwacht und/oder verarbeitet einen Satz von Parametern, die mit der Fahrzeugbatterie verbunden sind. Diese Parameter können ohne Einschränkung einen Strom, eine Spannung, einen Ladezustand (SOC), eine Batteriekapazität, Batterieinnenwiderstände, eine Batterieinnenreaktanz, eine Batterietemperatur und eine Leistungsausgabe der Fahrzeugbatterie umfassen. Das Steuermodul 20 enthält einen Algorithmus oder dergleichen zum Ausführen einer Ladezustands-Schätztechnik (SOC-Schätztechnik) des Fahrzeugs.
  • Das Steuermodul 20 verwendet die OCV der Batterie zum Bestimmen des SOC. Um den SOC genau zu bestimmen, kann die OCV erst dann genau gemessen werden, nachdem das Gleichgewicht der OCV erhalten wurde, was auftritt, nachdem ein Batterieladen eine vorbestimmte Zeit lang unterbrochen wurde (d. h. entweder durch eine Zündungsausschaltoperation oder eine andere Ladevorrichtung). Typischerweise umfasst die vorbestimmte Zeit zum Erhalten des Gleichgewichts der OCV 24 Stunden, nachdem das Laden der Batterie unterbrochen wurde. Das heißt, dass eine Messung der Leerlaufspannung erst dann genau ist, wenn sich die Batteriespannung in den Gleichgewichtsbedingungen befindet. Elektrische Ladungen auf der Oberfläche der Platten der Batterie verursachen falsche Lesewerte des Spannungsmessgeräts. Falsche Lesewerte des Spannungsmessgeräts entstehen aufgrund von Oberflächenladungen an den Batterieplatten. Wenn eine Batterie geladen wird, können die Oberflächen der Platten eine höhere Ladung als die inneren Abschnitte der Platten aufweisen. Nach einer Zeitspanne, nachdem das Laden unterbrochen wurde, wird die Oberflächenladung an der Oberfläche der Platten als Folge dessen, dass die Ladungsenergie tiefer in die Platten eindringt, ein wenig entladen. Daher kann die Oberflächenladung bewirken, wenn sie nicht an den inneren Abschnitt der Platten dissipiert wird, dass eine schwache Batterie als gut erscheint. Um folglich einen genauen Messwert der OCV zu erhalten, der zum Bestimmen des SOC verwendet werden kann, muss das Fahrzeug typischerweise 24 Stunden lang ruhen (d. h. kein Laden der Batterie). Die hier beschriebene Ausführungsform stellt eine Technik zum Schätzen eines genauen OCV-Messwerts bereit, wenn die Batterie weniger als 24 Stunden geruht hat.
  • Um die OCV der Batterie zu schätzen, wird ein OCV-Schätzalgorithmus aus einem Spannungsabfallmodell hergeleitet, das durch die folgende Gleichung dargestellt wird:
    Figure 00060001
    wobei V ein Spannungslesewert bei einer jeweiligen Zeit t ist, m eine feste Zeitkonstante ist und α und b Parameter sind.
  • Das Spannungsabfallmodell, wie es in Gleichung (1) dargestellt ist, wird zum Herleiten des OCV-Schätzalgorithmus verfeinert. Um den OCV-Schätzalgorithmus herzuleiten, wird das Spannungsabfallmodell in Gleichung (1) zunächst nach den Parametern α und b aufgelöst. Da die Parameter α und b unbekannt sind, wird eine erste Gleichung des Spannungsabfallmodells bezüglich des Parameters α hergeleitet und eine zweite Gleichung des Spannungsabfallmodells wird bezüglich des Parameters b hergeleitet. Als Folge können die Parameter α und b gelöst werden, indem eine Variable im Spannungsabfallmodell isoliert wird und danach aufgelöst wird. Sobald die erste Variable gelöst ist, kann die andere Variable gelöst werden, indem die erste gelöste Variable zurück im Spannungsabfallalgorithmus substituiert wird und nach der zweiten Variable aufgelöst wird. Die in jeder Formel verwendeten Spannungen und Zeitparameter können alle Spannungen sein, die bei einer Zeit von größer als 3 Stunden beschafft wurden. Zum Beispiel kann eine erste gemessene Spannung, die nach der dritten Stunde im nicht ladenden Zustand beschafft wurde, verwendet werden, um nach dem Parameter α aufzulösen, wohingegen eine zweite gemessene Spannung, die nach der vierten Stunde im nicht ladenden Zustand beschafft wurde, verwendet werden kann, um nach dem Parameter b aufzulösen. Indem beide gelösten Parameter α und b zurück in das Spannungsabfallmodell von Gleichung (1) substituiert werden, wird die folgende Gleichung hergeleitet:
    Figure 00070001
    wobei V3 und V4 Spannungen sind, die nach der dritten Stunde bzw. der vierten Stunde im nicht ladenden Zustand gemessen wurden und t die Zeit ist, bei der die Leerlaufspannung ein Gleichgewicht erreicht. So wie sie in Gleichung (2) dargestellt ist, ist die Zeit in Sekunden umgewandelt. Die Zeit t, bei der die Batterie ein Gleichgewicht erreicht, beträgt vorzugsweise 24 Stunden. Alternativ kann jede Zeit verwendet werden, die größer als 8 Stunden ist. Darüber hinaus sollten die Spannungsmesswerte V3 und V4 bei einer Zeit erfasst werden, der größer als mindestens 3 Stunden im nicht ladenden Zustand ist. Die feste Zeitkonstante m beruht auf einer Batterietemperatur T, die durch die folgenden Temperaturbereiche dargestellt wird: wenn T ≥ 25 C, dann m = m25 = –3 × 10–5, wenn T ≤ 0 C, dann m = m0 = –2 × 10–5, wenn 0 C < T < 25 C, dann m = m0 + T / 25(m25 – m0). (3)
  • Wenn t = 24 Stunden als die Zeit gewählt wird, bei der die OCV ein Gleichgewicht erreicht, wird im Ergebnis der OCV-Schätzalgorithmus wie folgt:
    Figure 00080001
  • Sobald die OCV geschätzt wurde, kann sie unter Verwendung einer Umwandlungstabelle oder einer ähnlichen Umwandlungstechnik einem SOC-Wert zugeordnet werden. Wenn der SOC der Batterie unter einem vorbestimmten Niveau liegt, kann eine Warnung an den Fahrer des Fahrzeugs geliefert werden, oder die Feststellung kann an eine elektronische Steuereinheit des Fahrzeugs geliefert werden, um der Ladevorrichtung, etwa einem Generator, das Laden der Batterie zu befehlen.
  • 2 ist ein Ablaufplan zum Schätzen des SOC des Fahrzeugs. Bei Schritt 20 wird der Fahrzündschlüssel in die ausgeschaltete Position gedreht (z. B. Kraftmaschine ausgeschaltet).
  • Bei Schritt 21 werden eine erste Spannung (V3) und eine Batterietemperatur (T3) gleichzeitig mit der ersten Spannung (V3) aufgenommen, nachdem die Fahrzeugzündung 3 Stunden lang ausgeschaltet gewesen ist.
  • Bei Schritt 22 werden die zweite Spannung (V4) und die Batterietemperatur (T4) gleichzeitig mit der zweiten Spannung (V4) aufgenommen, nachdem die Fahrzeugzündung 4 Stunden lang ausgeschaltet gewesen ist.
  • Bei Schritt 23 wird eine Batteriegleichgewichtsspannung unter Verwendung eines Batteriegleichgewichts-Spannungsschätzwerts bestimmt, wie es durch die folgende Formel dargestellt ist:
    Figure 00090001
    wobei V3 und V4 auf der Grundlage eines Durchschnitts der gemessenen Temperatur nach 3 Stunden und 4 Stunden geschätzt werden. Es versteht sich, dass jede Spannung nach mehr als 3 Stunden verwendet werden kann; jedoch stellt die Verwendung von Spannungen am Ende der dritten und vierten Stunde die früheste Schätzung bereit, die genau bestimmt werden kann, sobald die Fahrzeugzündung ausgeschaltet ist. Darüber hinaus kann das Gleichgewicht der OCV zu jeder Zeit nach 8 Stunden geschätzt werden; jedoch werden 24 Stunden verwendet, da diese Zeit typischerweise dazu führt, dass Oberflächenladungen in die Platten der Batterie dissipiert sind. Bei der Bestimmung der festen Zeitkonstante m wird eine Durchschnittstemperatur T verwendet. Die Durchschnittstemperatur T ist ein Mittelwert der zwei Temperaturen, die bei den jeweiligen Zeitintervallen (z. B. T3 und T4 in dem vorstehenden Beispiel) aufgenommen wurden. Die Formel zum Bestimmen der Temperatur T ist wie folgt: T = (T3 + T4)/2 (6)
  • Bei Schritt 24 wird der SOC der Batterie unter Verwendung einer SOC-OCV-Zuordnung bestimmt. Die Zuordnung wird durch eine OCV-zu-SOC-Korrelationstabelle oder eine ähnliche Zuordnungstechnik hergeleitet. Die OCV-zu-SOC-Werte werden aus historischen Batteriemesswerten und Korrelationen hergeleitet, sodass für eine geschätzte OCV bei einer jeweiligen Temperatur ein SOC-Wert auf der Grundlage von Verlaufsdaten bereitgestellt werden kann.
  • Obwohl bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen zum Umsetzen der Erfindung in die Praxis, wie sie durch die folgenden Ansprüche definiert ist, erkennen.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie für ein Fahrzeug, wobei sich das Fahrzeug in einem ladenden Zustand befindet, wenn die Kraftmaschine betrieben wird und in einem nicht ladenden Zustand, wenn die Kraftmaschine nicht betrieben wird, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: eine erste Batteriespannung bei einer ersten vorbestimmten Zeit in dem nicht ladenden Zustand gemessen wird, nachdem ein Laden der Batterie unterbrochen wurde; eine erste Temperatur der Batterie gleichzeitig mit der ersten Batteriespannung gemessen wird; eine zweite Batteriespannung bei einer zweiten vorbestimmten Zeit nach der ersten vorbestimmten Zeit gemessen wird, wobei sich das Fahrzeug in dem nicht ladenden Zustand befindet, wobei die zweite vorbestimmte Zeit größer als die erste vorbestimmte Zeit ist; eine zweite Temperatur der Batterie gleichzeitig mit der zweiten Batteriespannung gemessen wird; eine Durchschnittstemperatur auf der Grundlage des ersten Temperaturmesswerts und des zweiten Temperaturmesswerts berechnet wird; auf der Grundlage der Durchschnittstemperatur eine feste Zeitkonstante bestimmt wird; eine Leerlaufspannung als Funktion des ersten Spannungsmesswerts, des zweiten Spannungsmesswerts und der festen Zeitkonstante geschätzt wird; und ein Ladezustand der Batterie auf der Grundlage der geschätzten Leerlaufspannung bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die geschätzte Leerlaufspannung auf der Grundlage der folgenden Formel bestimmt wird:
    Figure 00120001
    wobei V3 die erste gemessene Batteriespannung [engl.: temperature] ist, V4 die zweite gemessene Batteriespannung [engl.: temperature] ist, m die feste Zeitkonstante ist und t eine gewählte Zeit ist, bei der die Leerlaufspannung im Gleichgewicht ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die feste Zeitkonstante m auf der Grundlage der folgenden Bereiche bestimmt wird: wenn T ≥ 25 C, dann m = m25 = –3 × 10–5, wenn T ≤ 0 C, dann m = m0 = –2 × 10–5, wenn 0 C < T < 25 C, dann m = m0 + T / 25 (m25 – m0).
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen des Ladezustands aus der Leerlaufspannung umfasst, dass Verlaufsdaten verwendet werden, um den Ladezustand mit der geschätzten Leerlaufspannung zu korrelieren.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Ladezustand der Batterie über eine Anzeigevorrichtung einem Anwender des Fahrzeugs angezeigt wird.
  6. System zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie für ein Fahrzeug, wobei sich das Fahrzeug in einem ladenden Zustand befindet, wenn die Kraftmaschine betrieben wird, und in einem nicht ladenden Zustand, wenn die Kraftmaschine nicht betrieben wird, wobei das System umfasst: eine Batterie; ein Spannungsmessgerät zum Messen einer ersten Batteriespannung im nicht ladenden Zustand bei einer ersten vorbestimmten Zeit, nachdem ein Laden der Batterie unterbrochen wurde, und zum Messen einer zweiten Batteriespannung bei einer zweiten vorbestimmten Zeit, nachdem das Laden der Batterie unterbrochen wurde, wobei die zweite vorbestimmte Zeit größer als die erste vorbestimmte Zeit ist; einen Temperatursensor zum Messen einer ersten Temperatur der Batterie gleichzeitig mit der ersten Batteriespannung und zum Messen einer zweiten Temperatur der Batterie gleichzeitig mit der zweiten Batteriespannung; und ein Steuermodul zum Bestimmen einer festen Zeitkonstante als Funktion des ersten und zweiten Temperaturmesswerts, wobei das Steuermodul eine Leerlaufspannung bei Gleichgewicht als Funktion der ersten Batteriespannung, der zweiten Batteriespannung und der festen Zeitkonstante schätzt, wobei das Steuermodul einen Ladezustand der Batterie auf der Grundlage der geschätzten Leerlaufspannung bestimmt.
  7. System nach Anspruch 6, wobei das Steuermodul eine Durchschnittstemperatur als Funktion des ersten Temperaturmesswerts und des zweiten Temperaturmesswerts bestimmt und wobei das Steuermodul die feste Zeitkonstante als Funktion der Durchschnittstemperatur bestimmt.
  8. System nach Anspruch 7, wobei das Steuermodul die Leerlaufspannung auf der Grundlage der folgenden Formel schätzt:
    Figure 00140001
    wobei V3 die erste gemessene Batteriespannung [engl.: temperature] ist, V4 die zweite gemessene Batteriespannung [engl.: temperature] ist, m die feste Zeitkonstante ist und t eine gewählte Zeit ist, bei der die Leerlaufspannung im Gleichgewicht ist.
  9. System nach Anspruch 8, wobei die feste Zeitkonstante m auf der Grundlage der folgenden Bereiche bestimmt wird: wenn T ≥ 25 C, dann m = m25 = –3 × 10–5, wenn T ≤ 0 C, dann m = m0 = –2 × 10–5, wenn 0 C < T < 25 C, dann m = m0 + T / 25 (m25 – m0).
  10. System nach Anspruch 6, das ferner eine elektronische Steuereinheit zum Regeln der Spannung des Fahrzeugs umfasst, wobei der Ladezustand an die elektronische Steuereinheit geliefert wird, um die Spannung des Fahrzeugs auf der Grundlage des Ladezustands der Batterie zu regeln.
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