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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Energiespeichers, ein verbessertes Energiespeicherüberwachungssystem sowie ein Kraftfahrzeug mit einer verbesserten Energiespeicherüberwachung.
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Bekannt sind Verfahren zum Überwachen eines Energiespeichers eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeuges, wobei Betriebsparameter und/oder Betriebszustände des Energiespeichers sensorisch erfasst werden. Bevorzugt wird ein aktueller Kapazitätszustand des Energiespeichers mittels der Betriebsparameter und/oder Betriebszustände aus einem dem Kraftfahrzeug zugeordneten, ersten Kennfeld ermittelt.
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Des Weiteren ist ein Energiespeicherüberwachungssystem zum Überwachen eines Energiespeichers bekannt, insbesondere eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeuges, aufweisend eine Sensoranordnung, die zum Erfassen der Betriebszustände des Energiespeichers eingerichtet und ausgebildet ist und eine Speichereinheit, die zum Speichern der ersten Kennlinie und vorzugsweise zum Speichern der Betriebsparameter des Energiespeichers eingerichtet und ausgebildet ist. Bevorzugt umfasst das Energiespeicherüberwachungssystem den Energiespeicher.
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Außerdem ist ein Kraftfahrzeug bekannt, aufweisend einen elektrischen Antrieb, einen Energiespeicher zum Bereitstellen von elektrischer Energie für den elektrischen Antrieb, ein Steuergerät zum Steuern und/oder Überwachen des Kraftfahrzeugs, insbesondere des elektrischen Antriebs und/oder des Energiespeichers, eine Sensoranordnung, die zum Erfassen von Betriebszuständen des Energiespeichers und/oder des Antriebs eingerichtet und ausgebildet ist und eine Speichereinheit, die zum Speichern von einem ersten Kennfeld und vorzugsweise zum Speichern von Betriebsparametern des Energiespeichers und/oder des Antriebs eingerichtet und ausgebildet ist.
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Die bekannten Verfahren und Systeme zur Überwachung der des Kapazitätszustands eines Energiespeichers, wie elektrochemischer Energiespeicher oder eine Batterie, finden beispielsweise Anwendung bei der Überwachung einer Batterie eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeuges. Aufgrund der zumeist geringen Reichweite von batteriegespeisten Kraftfahrzeugen gegenüber konventionell angetriebenen Kraftfahrzeugen sind hier eine präzise Reichweitenberechnung sowie ein aussagekräftiger Indikator für den (Energie-)Füllstand von besonderer Bedeutung. Als Indikator für den Energiespeicher- bzw. Batteriefüllstand wird oftmals der relative Kapazitätszustand (SOC, engl. State Of Charge) verwendet. Dieser ist eine relative Größe, der die entnehmbare Ladungsmenge, die noch bis zur Entladung auf eine definierte untere Spannungsgrenze zur Verfügung steht, bezogen auf die gesamte Ladungsmenge, die zwischen einer oberen definierten und der unteren definierten Spannungsgrenze entnehmbar ist, beschreibt. Die Verwendung des relativen Kapazitätszustands als Indikator für den Batteriezustand kann bei der Steuerung des Ladevorgangs vorteilhaft verwendet werden, da hier für gewöhnlich die elektrischen Ladeströme, die zumindest im Wesentlichen proportional zu der Änderung des relativen Kapazitätszustand sind, zu berücksichtigen sind. Die Ermittlung des relativen Kapazitätszustands des Energiespeichers bzw. der Batterie erfolgt mittels des ersten Kennfelds. Das erste Kennfeld stellt den funktionellen Zusammenhang zwischen den Betriebsparametern und/oder -zuständen des Energiespeichers und dem Kapazitätszustand des Energiespeichers dar. Es kann als eindimensionale Kennlinie, als zwei- oder mehrdimensionale Zuordnungsmatrix oder komplexere Berechnungsfunktion realisiert werden. Sind beispielsweise bestimmte Betriebsparameter (ggf. inkl. ihrer zeitlichen Veränderung) bekannt und/oder bestimmte Betriebszustände (ggf. inkl. ihrer zeitlichen Veränderung) des Energiespeichers sensorisch erfasst, kann der zugehörige Kapazitätszustand des Energiespeichers mittels des ersten Kennfelds ermittelt werden.
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Die Patentschrift
DE 694 23 261 T2 offenbart ein Verfahren zur Berechnung und Anzeige der aktuellen Kapazität einer Batterie, also der Ladungsmenge, die von der Batterie gespeichert ist. Bei Bleibatterien und vielen anderen chemischen Batterien hängt die Kapazität der Batterie von der Batterietemperatur und der entnommenen Ausgangsleistung bzw. dem Innenwiderstand der Batterie ab. Die in der zuvor genannten Patentschrift offenbarte Anzeige für die aktuelle Kapazität der Batterie variiert deshalb in Abhängigkeit der entnommenen Leistung des Verbrauchers. Bei einem Kraftfahrzeug ist der Verbraucher beispielsweise ein elektrischer Antrieb, so dass oftmals die mit dem elektrischen Antrieb voraussichtliche erreichbare Reichweite im Cockpit des Kraftfahrzeuges angezeigt wird. Die auf diese Weise von äußeren Faktoren stark abhängige Reichweitenanzeige führt bei Autofahrern nicht selten zu einer Verwirrung über die tatsächlich noch zurücklegbare Reichweite mittels des elektrischen Antriebs. Außerdem sind sie es von einer Füllstandsanzeige eines Benzin- oder Dieseltanks gewöhnt, dass dieser nicht mit der aktuellen Leistung des Motors variiert. Vielmehr gibt die zuvor genannte Füllstandsanzeige den tatsächlichen, relativen Füllstand des Benzin- oder Dieseltanks wieder, welcher in direktem Zusammenhang mit der verbleibenden Energiereserve steht. In der Patentschrift
DE 694 23 261 T2 wird deshalb eine Batterieüberwachungssystem zur Überwachung der Restkapazität einer Batterie vorgeschlagen, wobei die elektrische Ausgangsleistung der Batterie erfasst wird und in Abhängigkeit von der elektrischen Ausgangsleistung die Restkapazität derart korrigiert wird, dass, wenn die elektrische Ausgangsleistung der Batterie ansteigt, eine neue, um einen Restkapazitätskorrekturwert verringerte Restkapazität berechnet wird. Die Restkapazität wird also in Abhängigkeit der elektrischen Ausgangsleistung korrigiert.
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Aus dem Stand der Technik ist es also bekannt, Betriebszustände einer Batterie sensorisch und/oder Betriebsparameter der Batterie zu erfassen und mittels der Betriebsparameter und/oder Betriebszustände aus einem ersten Kennfeld auf den zugehörigen, relativen Kapazitätszustand zu schließen. Je nach Anzahl der berücksichtigten Betriebsparameter und/oder Betriebszustände kann das erste Kennfeld als eindimensionale Kennlinie oder als als zwei- oder mehrdimensionale Zuordnungsmatrix oder komplexere Berechnungsfunktion ausgestaltet sein.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren, ein System und ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, die eine möglichst genaue Überwachung eines Energiespeichers eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeuges durch einen Anwender erlauben.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Wie bereits zuvor erläutert, handelt es sich bei dem Kapazitätszustand um eine relative und aktuelle Größe. Der aktuelle Kapazitätszustand korrespondiert deshalb zu den sensorisch erfassten Betriebszuständen des Energiespeichers und/oder zu dessen erfassten Betriebsparametern.
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Der Kapazitätszustand hat jedoch den entscheidenden Nachteil, dass sich dieser ausschließlich auf die Ladungsmenge bzw. die relative Ladungsmenge, und nicht auf die Energiemenge des Energiespeichers bezieht. Ein an den Energiespeicher angeschlossener elektrischer Verbraucher, insbesondere der eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeuges, verbraucht unter gegebenen Bedingungen eine bestimmte Energiemenge pro Zeiteinheit, jedoch nicht eine bestimmte Ladungsmenge pro Zeiteinheit. Bezogen auf das Kraftfahrzeug wird für eine bestimmte, zurückgelegte Distanz unter konstanten Bedingungen eine bestimmte Energiemenge und nicht eine bestimmte Ladungsmenge verbraucht.
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In der 1 ist schematisch am Beispiel einer Batterie als Energiespeicher die Abhängigkeit der Batteriespannung von dem Kapazitätszustand der Batterie wiedergegeben. Daraus lässt sich entnehmen, dass die Batteriespannung weder proportional zu dem Kapazitätszustand noch konstant ist. Vielmehr lässt sich der 1 eine nichtlineare Abhängigkeit zwischen der Batteriespannung und dem Kapazitätszustand der Batterie entnehmen, wobei die Batteriespannung bei einem höheren Kapazitätszustand, beispielsweise im Bereich zwischen 80% und 100%, deutlich höher ausfällt als bei einem kleinen Kapazitätszustand, beispielsweise zwischen 5% und 15%. Zu berücksichtigen ist, dass eine Ladungsmenge, die pro Kapazitätszustand-Prozentpunkt der Batterie entnommen werden kann, über den gesamten Kapazitätszustand-Bereich konstant ist. Grundsätzlich berechnet sich eine elektrische Energie aus dem Produkt von elektrischer Spannung und Ladung. Die 1 verdeutlicht deshalb auch, dass die Energie, die einem Energiespeicher pro Kapazitätszustand-Prozentpunkt entnehmbar ist, bei einem kleineren Kapazitätszustand deutlich geringer ausfallen kann als bei einem höheren Kapazitätszustand.
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Um diese Nachteile zu überwinden, zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, dass ein aktueller, relativer Energiezustand (SOE, engl. State Of Energy) des Energiespeichers, insbesondere der Batterie, mittels des ermittelten Kapazitätszustand aus einem dem Energiespeicher zugeordneten, zweiten Kennfeld ermittelt wird.
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Die Ermittlung des Energiezustands des Energiespeichers erfolgt also mittels des zweiten Kennfelds. Das zweite Kennfeld stellt den funktionellen Zusammenhang zwischen dem Kapazitätszustand des Energiespeichers und dem Energiezustand des Energiespeichers dar. Es kann vorzugsweise als eindimensionale Kennlinie, alternativ jedoch auch als zwei- oder mehrdimensionale Zuordnungsmatrix oder komplexere Berechnungsfunktion realisiert werden. Als relativer Energiezustand des Energiespeichers ist die relative Größe zu verstehen, welche die dem Energiespeicher entnehmbare Energie, die noch bis zur Entladung auf eine definierte untere Grenze zur Verfügung steht, bezogen auf die gesamte Energie, die zwischen einer oberen definierten und der unteren definierten Grenze entnehmbar ist, beschreibt. Als Grenze kann hier eine Spannungsgrenze und/oder ein Grenzwert des Kapazitätszustands oder/oder auch Grenzwerte für andere Betriebszustände definiert werden. Der ermittelte, relative Energiezustand dient als energiebezogener Füllstandsindikator für den Energiespeicher. Ähnlich wie der Füllstand eines Benzin- oder Dieseltanks eines Kraftfahrzeuges stellt der relative Energiezustand des Energiespeichers oder einer Batterie eine gegenüber äußeren Einflüssen und/oder aktuellen Betriebszuständen robuste Größe dar. Viele Verbraucher, beispielsweise ein elektrischer Antrieb eines Kraftfahrzeuges, verbrauchen unter konstanten Bedingungen je Zeiteinheit eine bestimmte Energiemenge und nicht eine bestimmte Ladungsmenge (die zu einem jeweiligen Kapazitätszustand der Batterie korrespondiert). Der relative Energiezustand des Energiespeichers stellt deshalb eine plausible und verständliche Größe für den energiebezogenen Füllstand eines Energiespeichers dar. Außerdem kann der relative Energiezustand im Weiteren zur Berechnung der Reichweite verwendet werden.
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Wie bereits zuvor erläutert, handelt es sich bei dem Energiezustand um eine relative und aktuelle Größe. Der aktuelle Energiezustand korrespondiert deshalb zu dem aktuellen Kapazitätszustand des Energiespeichers. Die Batterie ist eine bevorzugte Ausgestaltung des Energiespeichers, die im Folgenden auch synonym für den allgemeinen Energiespeicher stehen soll. Entsprechendes gilt für die im Zusammenhang mit der Batterie verwendeten Begriffe.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagen, anstatt des ersten Kennfelds eine erste Berechnungsfunktion zu verwenden. Der Verwendung der ersten Berechungsfunktion geht die Erkenntnis voraus, dass der Informationsgehalt des ersten Kennfelds auch durch die erste Berechnungsfunktion abgebildet werden kann. Somit gelten die zuvor genannten Vorteile und Zusammenhänge analog für die erste Berechnungsfunktion. Wenn im Weiteren von der ersten Kennlinie gesprochen wird, soll dies, soweit sinnvoll, auch für die erste Berechnungsfunktion gelten.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagen, anstatt des zweiten Kennfelds eine zweite Berechnungsfunktion zu verwenden. Der Verwendung der zweiten Berechungsfunktion geht die Erkenntnis voraus, dass der Informationsgehalt des zweiten Kennfelds auch durch die zweite Berechnungsfunktion abgebildet werden kann. Somit gelten die zuvor genannten Vorteile und Zusammenhänge analog für die zweite Berechnungsfunktion. Wenn im Weiteren von der zweiten Kennlinie gesprochen wird, soll dies, soweit sinnvoll, auch für die zweite Berechnungsfunktion gelten.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe ein Verfahren zum Überwachen eines Engeriespeichers, insbesondere eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeuges, vorgeschlagen, wobei Betriebsparameter und/oder Betriebszustände des Energiespeichers sensorisch erfasst werden, und wobei ein aktueller relativer Energiezustand des Energiespeichers mittels der Betriebsparameter und/oder Betriebszustände aus einem dem Energiespeicher zugeordneten Energiekennfeld oder durch eine dem Energiespeicher zugeordnete Energieberechnungsfunktion ermittelt wird. Durch die Verwendung des Energiekennfelds wird das zuvor erläuterte Zweischrittverfahren unter Berücksichtigung des ersten zum zweiten Kennfelds in ein Einschrittverfahren überführt. Entsprechendes gilt für die Verwendung der Energieberechnungsfunktion. Der relative Energiezustand wird jeweils unmittelbar aus den sensorische erfassten Größen und/oder Parametern ermittelt.
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Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Bevorzugt werden als Betriebszustände die Batteriespannung, insbesondere deren Klemmenspannung bzw. offene Klemmenspannung, die Klemmspannung bzw. offene Klemmspannungen einer einzelnen Batteriezelle, der Lade- bzw. Entladestrom, ein Widerstand, insbesondere der Innenwiderstand der Batterie, eine Batterietemperatur und/oder die Temperatur einzelner Batteriezellen oder eine Batterietemperaturverteilung, die Anzahl der Lade- bzw. Entladezyklen, und/oder die Zeitdauer der Lade- und/oder Entladezyklen sensorisch erfasst. Alternativ oder ergänzend können auch andere Betriebszustände der Batterie sensorisch erfasst werden. Weiter bevorzugt werden als Betriebsparameter die Anzahl der mit der Batterie verbundenen Verbraucher, die Nennleistung der Verbraucher, die Art der Verbraucher und/oder die Zellenanzahl der Batterie erfasst. Außerdem werden bevorzugt die zeitlichen Verläufe dieser Betriebszustände und die aus diesen und/oder anderen Betriebsgrößen abgeleiteten Betriebsparameter oder -zustände wie die unter anderem vom Alter der Batterie abhängige maximale Gesamtkapazität der Batterie und/oder maximale Kapazitäten einzelner Batteriezellen und der Batterieinnenwiderstand und/oder Batterieinnenwiderstände einzelner Batteriezellen erfasst bzw berechnet. Alternativ oder ergänzend sind weitere Betriebsparameter berücksichtigbar. Damit ist es möglich, einen besonders präzisen Kapazitätszustand der Batterie mittels des ersten Kennfelds zu ermitteln. Je präziser der Kapazitätszustand ermittelt wird, desto präziser kann auch der Energiezustand ermittelt werden.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der relative Energiezustand des Energiespeichers mittels des Kapazitätszustandes und eines Differenzkennfelds als das zweite Kennfeld ermittelt wird, wobei durch das Differenzkennfeld die Differenz zwischen relativem Energiezustand und relativem Kapazitätszustand, oder umgekehrt, in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter, mindestens einem Betriebszustand und/oder dem relativen Kapazitätszustand gespeichert ist. Des Weiteren kann es vorgesehen sein, dass der relative Energiezustand des Energiespeichers mittels des Kapazitätszustandes und eines Faktorkennfelds als das zweite Kennfeld ermittelt wird, wobei durch das Faktorkennfeld der Faktor zwischen relativem Energiezustand und relativem Kapazitätszustand, oder umgekehrt, in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter, mindestens einem Betriebszustand und/oder dem relativen Kapazitätszustand gespeichert ist. Das zweite Kennfeld stellt den funktionellen Zusammenhang von den Betriebsparametern und/oder -zuständen des Energiespeichers und/oder dem Kapazitätszustand des Energiespeichers zu der Differenz bzw. zu dem Faktor zwischen dem Kapazitätszustand und dem Energiezustand, oder umgekehrt, her. Sind beispielsweise bestimmte Betriebsparameter bekannt und bestimmte Betriebszustände des Energiespeichers sensorisch erfasst sowie der zugehörige Kapazitätszustand des Energiespeichers mittels des ersten Kennfelds ermittelt, kann in analoger Weise zu der Ermittlung des Kapazitätszustands der zugehörige Energiezustand des Energiespeichers mittels des zweiten Kennfelds ermittelt werden. Welche der Vielzahl von Betriebszuständen und/oder Betriebsparametern bei der Ermittlung des Energiezustandes Berücksichtigung finden, hängt von den Umständen des Einzelfalls ab. So können beispielsweise zwei unterschiedliche Betriebszustände einen ähnlichen oder redundanten Informationsgehalt aufweisen, so dass nur einer der beiden Betriebszustände zur Ermittlung des Energiezustands notwendig ist. So ist es besonders bevorzugt, dass durch das Differenzkennfeld die Differenz zwischen einer Energiezustandsgröße und einer Kapazitätszustandsgröße, oder umgekehrt, in Abhängigkeit von der Batteriespannung gespeichert ist. Hierbei wird angenommen, dass die Batteriespannung bzw. die offene Klemmenspannung des als Batterie ausgestalteten Energiespeichers den zur Ermittlung der genannten Differenz notwendigen Informationsgehalt aufweist, so dass keine anderweitige Information benötigt wird. In diesem Fall kann der mittels des ersten Kennfelds ermittelte Kapazitätszustand in Verbindung mit der Batteriespannung verwendet werden, um die jeweils aktuelle Differenz zum Energiezustand mittels des zweiten Kennfelds zu ermitteln. Alternativ oder ergänzend kann durch das Differenzkennfeld die Differenz auch in Abhängigkeit vom Kapazitätszustand gespeichert sein. Der Kapazitätszustand kann nämlich ebenfalls Informationen über die Batteriespannung enthalten, so dass eine besonders einfache Ermittlung der Differenz zwischen dem Energiezustand und dem Kapazitätszustand ermöglicht wird.
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Vorteilhaft ist das Verfahren dazu eingerichtet, dass der Energiezustand durch Addition der genannten Differenz und des relativen Kapazitätszustands berechnet wird. Sowohl bei dem relativen Kapazitätszustand als auch bei dem relativen Energiezustand handelt es sich um relative Größen, so dass diese einheitenlos miteinander addiert werden können. Damit ist es besonders einfach möglich, aus dem relativen Kapazitätszustand auf den gewünschten, relativen Energiezustand zu schließen.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass durch das zweite Kennfeld der Energiezustand in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter, mindestens einem Betriebszustand und/oder dem Kapazitätszustand gespeichert ist. Das zweite Kennfeld stellt einen direkten funktionellen Zusammenhang von den Betriebsparameter und/oder -zuständen des Energiespeichers und/oder dem Kapazitätszustand des Energiespeichers zu dem Energiezustand her. Im Gegensatz zu der vorherigen Ausgestaltung des Verfahrens entfallen bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens die Ermittlung der Differenz zwischen dem Kapazitätszustand und dem Energiezustand sowie der anschließende Additionsschritt. Dem zweiten Kennfeld kann deshalb direkt der Energiezustand bei Kenntnis des Kapazitätszustands, des mindestens einen Betriebsparameters und/oder des mindestens einen Betriebszustands entnommen werden. Betreffend die möglichen Kombinationen von unterschiedlichen Betriebsparametern, Betriebszuständen und/oder dem Kapazitätszustand zur Ermittlung des Energiezustands wird auf die entsprechenden Erläuterungen zu der vorherigen Ausgestaltung des Verfahrens sinngemäß verwiesen. Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass durch das zweite Kennfeld der Energiezustand in Abhängigkeit von der Batteriespannung gespeichert ist. Wird also die Batteriespannung sensorisch erfasst und der Kapazitätszustand mit Hilfe des ersten Kennfelds ermittelt, so kann durch das zweite Kennfeld direkt auf den zugehörigen Energiezustand geschlossen werden. Anstatt der Batteriespannung kann auch der Kapazitätszustand verwendet werden, da dieser auch die Information über die Batteriespannung enthalten kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe ein Energiespeicherüberwachungssystem zum Überwachen eines Energiespeichers, insbesondere eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeuges, vorgeschlagen, aufweisend den Energiespeicher, eine Sensoranordnung, die zum Erfassen von Betriebszuständen des Energiespeichers eingerichtet und ausgebildet ist und eine Speichereinheit, die zum Speichern eines ersten Kennfelds und eines zweiten Kennfelds und vorzugsweise zum Speichern von Betriebsparametern des Energiespeichers eingerichtet und ausgebildet ist, wobei das Energiespeicherüberwachungssystem eine Auswerteeinheit aufweist, die zum Ausführen des Verfahrens gemäß den obigen Ausführungen eingerichtet und ausgebildet ist.
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Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung wird zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, aufweisend einen elektrischen Antrieb, einen Energiespeicher, insbesondere einen Akkumulator oder eine elektrochemische Batterie, zum Bereitstellen von elektrischer Energie für den elektrischen Antrieb, ein Steuergerät zum Steuern und/oder Überwachen des Kraftfahrzeugs, insbesondere des elektrischen Antriebs und/oder des Energiespeichers, eine Sensoranordnung, die zum Erfassen von Betriebszuständen des Energiespeichers und/oder des Antriebs eingerichtet und ausgebildet ist, eine Speichereinheit, die zum Speichern von einem ersten Kennfeld und einem zweiten Kennfeld und vorzugsweise zum Speichern von Betriebsparametern des Energiespeicher und/oder des Antriebs eingerichtet und ausgebildet ist, wobei das Kraftfahrzeug eine Auswerteeinheit aufweist, die zum Ausführen des Verfahrens gemäß einem der obigen Ausführungen eingerichtet und ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist auch hier der Energiespeicher eine Batterie. Vorteilhaft ist es vorgesehen, dass das Kraftfahrzeug eine Anzeigevorrichtung, insbesondere einen Bildschirm, aufweist, auf dem der aktuelle Wert des relativen Energiezustands optisch ausgegeben wird. Auf dem Bildschirm kann alternativ oder ergänzend auch die Reichweite des Kraftfahrzeugs angezeigt werden, die vorzugsweise mittels des relativen Energiezustands und bevorzugt unter Berücksichtigung von weiteren Betriebszuständen und/oder Betriebsparametern des Kraftfahrzeuges ermittelbar sind.
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Besonders bevorzugt zeichnet sich das erfindungsgemäße Batterieüberwachungssystem und/oder das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug dadurch aus, dass die Speichereinheit und/oder die Auswerteeinheit einem Steuergerät des Kraftfahrzeuges physisch und/oder logisch zugeordnet sind. Die Speichereinheit und/oder die Auswerteeinheit können dazu in das Steuergerät und/oder einem Boardnetz eines Kraftfahrzeuges integriert sein. Die Speichereinheit und/oder die Auswerteeinheit können also einen physischen Teil des Steuergeräts bilden. Sie können aber auch zumindest teilweise durch auf dem Steuergerät gespeicherte Software gebildet sein und deshalb zumindest teilweise logische Einheiten des Steuergeräts bilden.
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Die Batterie ist eine bevorzugte Ausgestaltung des Energiespeichers, die im Folgenden auch synonym für den allgemeinen Energiespeicher stehen soll. Entsprechendes gilt für die im Zusammenhang mit der Batterie verwendeten Begriffe.
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Die zuvor beschriebenen Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen im Folgenden eingehend erläutert. In den Zeichnungen ist:
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1 eine grafische Darstellung der Batteriespannung U in Abhängigkeit von dem relativen Kapazitätszustand Q der Batterie,
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2 eine grafische Darstellung der Differenz E – Q zwischen dem relativen Energiezustand E der Batterie und dem relativen Kapazitätszustand Q der Batterie in Abhängigkeit von dem relativen Kapazitätszustand Q der Batterie und
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3 eine schematische Darstellung von Komponenten des erfindungsgemäßen Batterieüberwachungssystems oder des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs in einer bevorzugten Ausgestaltung.
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In 1 ist die Batteriespannung U (Einheiten hier normiert auf die Spannung einer Zelle) in Abhängigkeit von dem relativen Kapazitätszustand Q der Batterie schematisch dargestellt. Als eine naheliegende Definition der Batteriespannung bzw. Spannung pro Batteriezelle kann die offene Klemmspannung nach einer ausreichenden Ruhezeit (sodass sich die elektrochemischen Prozesse im Gleichgewicht befinden) unter konstanten Bedingungen angesehen werden. Ergänzend kann eine Spannungsveränderung durch einen Spannungsabfall aufgrund einer Stromentnahme berücksichtigt werden. Weiterhin kann alternativ oder ergänzend der vergangene zeitliche Verlauf und/oder der voraussichtliche zeitliche Verlauf von Betriebszuständen wie beispielsweise dem Strom und/oder der Temperatur berücksichtigt werden. Je nach chemischer Zusammensetzung der Batterie und der Qualität der Verarbeitung kann die in 1 gezeigte Kurve auch modell- oder exemplarspezifisch ausgestaltet sein. Der 1 ist zunächst zu entnehmen, dass die Batteriespannung U kein konstanter Wert ist, sondern mit einem steigenden Wert des Kapazitätszustands Q ebenfalls steigt. Es handelt sich hierbei jedoch nicht um eine proportionale Abhängigkeit, so dass eine einfache mathematische Beschreibung nicht möglich ist.
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Des Weiteren ist der 1 zu entnehmen, dass der Kapazitätszustand Q als (Energie-)Füllstandsindikator für die Batterie unplausibel bzw. ungeeignet ist. Denn der Kapazitätszustand Q beschreibt ausschließlich eine im Verhältnis zu einer bestimmten, insbesondere maximalen Ladungsmenge angegebene aktuelle Ladung, die von der Batterie gespeichert ist. Über eine bestimmte Zeiteinheit hinweg benötigen viele elektrischer Verbraucher jedoch eine bestimmte Energie, die sowohl von der Spannung als auch von dem Strom bestimmt ist. Bei einer ladungsbezogenen Bewertung oder Überwachung einer Batterie bleibt die Batteriespannung jedoch außer Betracht und führt deshalb zu unplausibelen Ergebnissen.
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Die verfügbare Energie EN einer Batterie lässt sich als Produkt der Kapazität C der Batterie mit dem Integral der Batteriespannung U über den verfügbaren Kapazitätszustandbereich dQ bis zur Entladung (hier wird für die untere Grenze Q = 0% angenommen) wie folgt berechnen:
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Auf der Basis der Gleichung 1 lässt sich deshalb berechnen, welche Energiemenge EN durch das Entladen der Batterie mit einem aktuellen Kapazitätszustand Qakt einem Verbraucher noch zur Verfügung gestellt werden kann. Um einen relativen Energiezustand E zu erhalten, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die zuvor genannte Energiemenge EN auf eine bestimmte Energiemenge, insbesondere die Energiemenge einer vollgeladenen Batterie, zu normieren. Der relative Energiezustand lässt sich deshalb beispielsweise wie folgt darstellen:
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Der sich somit ergebende, relative Energiezustand E gibt bevorzugt das Verhältnis der Energie, die noch bis zum Entladen der Batterie zur Verfügung steht, zu einem bestimmten Energieinhalt, vorzugsweise einer vollgeladenen Batterie, an. Alternativ zu dem in Gleichung 2 dargestellten Nenner des Bruches, der ggf. von diversen Betriebszuständen und/oder -parametern abhängt, kann dieser auch durch einen konstanten Wert, insbesondere einen eine bestimmte Energiemenge repräsentierenden Wert ersetzt werden.
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In der 2 ist die mittels der Gleichung 2 berechenbare Differenz zwischen dem Energiezustand E der Batterie und dem Kapazitätszustand Q der Batterie in Abhängigkeit von dem Kapazitätszustand Q der Batterie grafisch dargestellt. Zu entnehmen ist, dass bei einer vollgeladenen Batterie mit einem Kapazitätszustand Q von 100% keine Abweichung zu dem relativen Energiezustand E vorliegt. Damit wird sichergestellt, dass eine vollgeladene Batterie auch einen maximalen relativen Energiezustand E aufweist. Entsprechendes gilt für eine vollständig entladene Batterie mit einem relativen Kapazitätszustand Q von 0%. Der korrespondierende relative Energiezustand E beträgt hier ebenfalls 0%. Zwischen diesen beiden Randwerten unterscheiden sich der relative Energiezustand E und der relative Kapazitätszustand Q deutlich. Zurückzuführen auf die zu 1 erläuterte, nicht konstante Batteriespannung U fällt der relative Energiezustand E im Bereich zwischen den genannten Randwerten beispielsweise bei einem relativen Kapazitätszustand von 50% um ca. 4 bis 5% geringer aus. Der relative Energiezustand E beträgt im diesem Fall also ca. 45 bis 46%. Die in 2 dargestellte Kennlinie ist deshalb eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen zweiten Kennfelds, das hierbei eindimensional ausgestaltet ist. Wenn der aktuelle, relative Kapazitätszustand Q aus vorherigen Berechnungen bekannt ist, dient das zweite Kennfeld zur Ermittlung der Differenz E – Q zwischen dem aktuellen, relativen Energiezustand E und dem aktuellen, relativen Kapazitätszustand Q. Durch Addition von der Differenz E – Q und dem aktuellen, relativen Kapazitätszustand Q ermittelt sich der aktuelle, relative Energiezustand E. Grundsätzlich kann der relative Energiezustand E auch durch das zweite Kennfeld in Abhängigkeit von weiteren oder anderen relevanten Größen, wie zum Beispiel der Batterietemperatur, dem Innenwiderstand der Batterie und/oder der vom Alter der Batterie abhängigen maximale Batteriekapazität, ermittelt werden. Mit jeder weiteren Größe würde die Dimension des Kennfelds steigen, so dass die 2 eine besonders einfache Variante des zweiten Kennfelds darstellt.
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Die 3 zeigt in einer sehr schematischen Darstellung mehrere Komponenten des erfindungsgemäßen Batterieüberwachungssystems bzw. des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 4 in einer bevorzugten Ausgestaltung. Aufgrund der Analogie des Batterieüberwachungssystems zu dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug 4 wird darauf verzichtet, das Batterieüberwachungssystem separat vorzustellen. Vielmehr sollen die folgenden Erläuterungen sinngemäß auch für das erfindungsgemäße Batterieüberwachungssystem gelten.
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Das Kraftfahrzeug 4 umfasst einen elektrischen Antrieb 6 und eine Batterie 2. Um die Leistung zu steuern, die von der Batterie 2 an den elektrischen Antrieb 6 übertragen wird, ist ein Steuergerät 14 vorgesehen. Dazu ist das Steuergerät 14 sowohl mit der Batterie 2 als auch mit dem elektrischen Antrieb 6 elektrisch und/oder mittels einer Datenverbindung direkt und/oder indirekt verbunden. Neben der Steuerung der Leistungsübertragung und/oder sonstigen elektrischen oder mechanischen Einheiten des Kraftfahrzeuges 4 ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Steuergerät 14 eine Auswerteeinheit 12 aufweist. Die Auswerteeinheit 12 kann logisch oder physisch in das Steuergerät 14 aufgenommen sein, so dass ggf. kein weiterer Hardwareaufwand nötig ist. Der Auswerteeinheit 12 werden mittels einer Sensoranordnung 8, die zum Erfassen von Betriebszuständen der Batterie 2 und/oder des Antriebs 6 eingerichtet und ausgebildet ist, relevante Informationen über den Betriebszustand der Batterie 2 und/oder den Antrieb 6 übertragen. Dies sind beispielsweise der Wert der Spannung der Batterie 2 und/oder deren Temperatur. Diese und/oder weitere Informationen können über ein Kraftfahrzeugnetzwerk, beispielsweise einen CAN-Bus, an die Auswerteeinheit 14 übermittelt werden, so dass auch das Kraftfahrzeugnetzwerk einen Teil der Sensoranordnung 8 bilden kann.
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Außerdem ist eine Speichereinheit 10 vorgesehen, die ebenfalls bevorzugt von der Steuereinheit 14 logisch oder physisch umfasst ist. Die Speichereinheit 10 ist zum Speichern des ersten und zweiten Kennfelds sowie von Betriebsparametern der Batterie 2 und/oder des Antriebs 6 eingerichtet und ausgebildet. Um die gespeicherten Informationen der Auswerteeinheit 12 zur Verfügung zu stellen oder Änderungen vornehmen zu können, ist die Auswerteeinheit 12 mit der Speichereinheit 10 elektrisch und/oder durch eine Datenverbindung verbunden.
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Aufgrund der zuvor genannten Verbindungen stehen der Auswerteeinheit 12 alle relevanten Informationen zur Verfügung, um einen plausiblen Indikatorwert für den Batteriefüllstand zu ermitteln. Dazu ist die Auswerteeinheit 12 zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet und ausgebildet. Die Auswerteeinheit 12 lädt also zunächst die notwendigen Betriebsparameter, beispielsweise die Anzahl der Batteriezellen, aus der Speichereinheit 10 und/oder erfasst die relevanten Betriebszustände des elektrischen Antriebs 6 und/oder der Batterie 2, so beispielsweise die Spannung der Batterie 2. Daraufhin lädt die Auswerteeinheit 12 das erste Kennfeld aus der Speichereinheit 10, um daraus den zu den Betriebsparametern und/oder Betriebszuständen korrespondierenden, relativen Kapazitätszustand Q zu ermitteln. Hiervon ausgehend ist es vorgesehen, dass die Auswerteeinheit 12 das zweite Kennfeld aus der Speichereinheit 10 lädt, um damit den zu dem zuvor ermittelten Kapazitätszustand Q korrespondierenden relativen Energiezustand E zu ermitteln. Anschließend wird dieser durch eine Anzeigeeinheit 16 im Cockpit des Kraftfahrzeuges 4 optisch ausgegeben.
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Auch wenn die Erfindung anhand der vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, verbleiben Veränderungen, Auslassungen und Kombinationen offenbarter Merkmale im fachlichen Können des einschlägigen Fachmanns, wodurch keinesfalls der Umfang der vorliegenden Erfindung verlassen wird, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 69423261 T2 [0006, 0006]
