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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Bestimmen eines Ladezustands.
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Stand der Technik
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Der Ladezustand SOC (state of charge) einer Batterie wird in der Regel durch Integration des durch die Batterie fließenden Stroms über der Zeit bestimmt. Für diese Integration ist jedoch erforderlich, dass zumindest ein Anfangswert der Batterieladung bekannt ist. Um eine durch Messtoleranzen bedingte Drift ausgleichen zu können, können in bestimmten zeitlichen Abständen Rekalibrierungen des Ladezustands durchgeführt werden. Dies erfolgt durch Messen eines Ruhepotentials, während sich die Batterie in Ruhe befindet und durch die Batterie nur ein geringer Laststrom fließt. Weiterhin ist es möglich, einen Volladezustand zu erkennen, wenn die Batterie nach einem Ladevorgang ausreichend mit elektrischer Energie geladen ist.
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Die Druckschrift
DE 10 2006 036 784 A1 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen der Kapazität einer Batterie mit Hilfe eines Zustandsgrößen- und Parameterschätzers, der aus verschiedenen Betriebsgrößen der Batterie Zustandsgrößen und Parameter eines mathematischen Energiespeichermodells berechnet. Der Ladezustand der Batterie kann hierbei während des normalen Batteriebetriebs sehr genau bestimmt werden, wenn sie als Funktion wenigstens eines kapazitätsabhängigen Parameters berechnet wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren und eine Anordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung.
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In Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Ladezustand (SOC) eines elektrischen Energiespeichers während eines Ladevorgangs des elektrischen Energiespeichers mit elektrischer Energie bestimmt. Dabei kann der Ladezustand auch bestimmt werden, wenn der Ladevorgang für den Energiespeicher nicht vollständig abgeschlossen und somit kein Volladungszustand für den Energiespeicher erreicht ist. Bei dem nachfolgend beschriebenen Verfahren wird der elektrische Energiespeicher in der Regel als Batterie, die bspw. als Blei-Säure-Akkumulator und/oder als Starterbatterie eines Kraftfahrzeugs ausgebildet sein kann, bezeichnet. Allerdings kann das Verfahren für jeden ent- und wieder beladbaren elektrischen Energiespeicher durchgeführt werden.
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Das Verfahren kann u. a. für mindestens einen elektrischen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs durchgeführt werden und ist auch für ein Kraftfahrzeug mit einem Hybridantrieb geeignet, wobei ein Elektromotor dieses Kraftfahrzeugs von einem derartigen elektrischen Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt wird.
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Bei einem Kraftfahrzeug wird dessen mindestens einer elektrische Energiespeicher während der Fahrt durch Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie, bspw. über einen als Lichtmaschine ausgebildeten Generator und/oder über den bei einem Bremsvorgang als Generator betriebenen Elektromotor, geladen.
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Allerdings ist hierbei zu berücksichtigen, dass eine hierfür vorgesehene Ladezeit auf eine Fahrtzeit von durchschnittlich zwanzig bis dreißig Minuten begrenzt sein kann, wohingegen eine für eine Volladung erforderliche Fahrtzeit je nach Ladezustand drei bis vier Stunden betragen kann. Ergänzend ist zu berücksichtigen, dass, durch das Energiemanagement des Kraftfahrzeugs bedingt, der Ladezustand gezielt auf einem Wert, der geringer als 100 % ist, gehalten wird. Weiterhin ist es je nach Nutzung des Kraftfahrzeugs, z. B. als Taxi, möglich, dass sich über einen vergleichsweise langen Zeitraum keine Ruhephase ergibt, in der eine Ruhespannung der Batterie bestimmt werden kann. In solch einem Fall kann durch eine im Rahmen des Verfahrens vorgesehene zusätzliche Möglichkeit einer Rekalibrierung des Ladezustands eine Verfügbarkeit und Genauigkeit des zu bestimmenden Ladezustands erhöht werden.
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Bei einer Umsetzung des Verfahrens zum Bestimmen des Ladezustands des elektrischen Energiespeichers während des Ladevorgangs können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden. Während des Ladevorgangs kann zumindest ein Wert für mindestens eine relevante Messgröße und/oder mindestens einen relevanten Betriebsparameter der Batterie als mindestens ein Eingangsparameter erfasst werden. So ist es möglich, eine Ladesituation anhand eines durch die Batterie fließenden Batteriestroms Ibatt und/oder einer an der Batterie anliegenden Batteriespannung Ubatt als mindestens ein Eingangsparameter zu erkennen.
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Bei einer möglichen Durchführung des Verfahrens ermittelte Eingangsdaten für Werte der mindestens einen erfassten Messgröße und/oder des mindestens einen erfassten Betriebsparameters können auf einen Gültigkeitsbereich sowie auf Konsistenz überprüft werden. Der Ladezustand kann anhand der Eingangsdaten für die Werte der mindestens einen erfassten Messgröße und/oder des mindestens einen erfassten Betriebsparameters über ein Kennfeld, bspw. durch Vergleich und/oder Berechnung, bestimmt werden.
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In einem ersten Schritt einer Ausführungsform des Verfahrens kann ein Erkennen der Ladesituation der Batterie anhand des Batteriestroms Ibatt und/oder der Batteriespannung Ubatt als Betriebsparameter durchgeführt werden. Hierbei können Istwerte für diese elektrischen Betriebsparameter mit hierfür für den Ladevorgang vorgesehenen Schwellwerten Ibatt_load für den Batteriestrom und Ubatt_load für die Batteriespannung verglichen werden. Falls Ubatt > Ubatt_load und Ibatt > Ibatt_load, wird erkannt, dass die Batterie vollständig geladen wird. Hierfür können Eingangssignale für Istwerte der elektrischen Betriebsparameter vorgefiltert werden, um unerwünschte Störungen zu vermeiden.
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Eine Erfassung relevanter Messgrößen und Batterieparameter wird in einem zweiten Schritt des Verfahrens während des Ladevorgangs durchgeführt. Für die Bestimmung eines Ladezustands der Batterie wird während des Ladevorgangs eine sogenannte Ladeakzeptanz der Batterie, d. h. deren Fähigkeit elektrische Energie aufzunehmen und somit mit elektrischer Energie geladen zu werden, ermittelt. Da die Ladeakzeptanz in der Regel von Betriebsparametern, wie einer beim Ladevorgang anliegenden Spannung, die auch als Batteriespannung oder Ladespannung bezeichnet werden kann, der Temperatur und dem Ladezustand der Batterie abhängig ist, kann durch Bestimmung der Ladeakzeptanz und aller relevanten Betriebs- und/oder Umgebungsparameter wiederum der Ladezustand ermittelt werden.
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Zu einer möglichen Umsetzung des Verfahrens können bspw. in einem Experiment alle für den Ladevorgang relevanten Eingangsparameter, die die Betriebsund/oder Umgebungsparameter umfassen, ermittelt und ein zugehöriges Kennfeld für den Ladezustand in Abhängigkeit dieser Eingangsparameter bestimmt werden.
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Als Werte für Eingangsparameter können ein Wert für ein erstes Stromintegral Q5 über den Batteriesstrom Ibatt, der während der letzten 5 Minuten geflossen ist, ein Wert für ein zweites Stromintegral Q10 über den Batteriesstrom Ibatt, der während der letzten 10 Minuten geflossen ist, ein Wert für ein drittes Stromintegral Q15 über den Batteriesstrom Ibatt, der während der letzten 15 Minuten geflossen ist, zumindest ein Wert für die Ladespannung, die hier der Batteriespannung Ubatt entspricht, zumindest ein Wert für eine Temperatur Tbatt der Batterie und zumindest ein Wert für eine Nennkapazität C20 der Batterie verwendet werden.
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Mit den Werten der Stromintegrale Q5, Q10, Q15 kann die Ladeakzeptanz der Batterie beschrieben werden. Es ist jedoch möglich, die Ladeakzeptanz alternativ oder ergänzend durch verschiedene Eingangsparameter auszudrücken, zum Beispiel durch Werte des beim Ladevorgang durch die Batterie fließenden Batteriestroms Ibatt, wobei die hierfür vorgesehenen Werte zu verschiedenen bestimmten Zeitpunkten ermittelt werden können.
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Bei einer Variante des Verfahrens werden die Werte der genannten Stromintegrale Q5, Q10, Q15 statt des Batteriestroms Ibatt verwendet, da sich dieser im Kraftfahrzeug ggf. transient bzw. instationär verhalten und demnach Schwankungen unterworfen sein kann, so dass der Ladezustand vergleichsweise ungenau bestimmt werden kann. Allerdings ist es möglich, den Batteriestrom Ibatt während mehrerer Zeitintervalle zu messen und für jedes Zeitintervall als Wert einen Mittelwert des Batteriestroms Ibatt zu bestimmen. Durch Vorsehen einer Integralbildung zum Bereitstellen der Werte für die Stromintegrale Q5, Q10, Q15 kann eine gute Filterung für die zu verwendenden Eingangsparameter erzielt werden.
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Ein Prüfen von Eingangsdaten als Werte für die Eingangsparameter auf deren Gültigkeitsbereich und deren Konsistenz und somit auf deren Plausibilität wird in einem dritten Schritt durchgeführt. Hierbei wird geprüft, ob die Werte der Eingangsparameter über einen vorgesehenen Messzeitraum innerhalb der Gültigkeit des Kennfelds liegen und/oder ausreichend stabil, bspw. stetig, sind, um für den zu bestimmenden Ladezustand ein akzeptables Ergebnis ermitteln zu können. Dazu werden Wertebereiche sowie minimale und maximale Werte der Eingangsparameter geprüft. Falls Wertebereiche sowie minimale und maximale Werte der Eingangsparameter innerhalb vorgegebener Schwellwerte liegen, kann der Ladezustand berechnet werden.
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Das Ermitteln des Ladezustands kann im vierten Schritt des Verfahrens anhand der Eingangsparameter über ein Kennfeld durchgeführt werden. Hierbei wird ein mehrdimensionales Kennfeld, das auf empirisch ermittelten Werten von Eingangsparametern basiert, verwendet. In einem einfachen Fall kann das Kennfeld durch eine lineare Regression über die ermittelten und/oder berechneten Werte der Eingangsparameter bereitgestellt werden, was in der Regel ressourcenfreundlich durchgeführt werden kann. Je nach Anforderung können aber auch nichtlineare Ansätze zum Bestimmen des Kennfelds eingesetzt werden.
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Mit dem Kennfeld können verschiedene, von unterschiedlichen Werten von Eingangsparametern abhängige Werte des Ladezustands (SOC) ermittelt werden. Ein Zusammenhang eines Werts des Ladezustands (SOC) kann durch nachfolgende Regressionsgleichung (1) dargestellt werden: SOC = c1 + c2·Ubatt + c3·Tbatt + c4·C20nom + c5·Uc0max + c6·C0 +c7·Q5 + c8·Q10 + c9·Q15 (1)
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Dabei sind c1, c2, c3, c4, c5, c6, c7, c8 und c9 Regressionskoeffizienten, die anhand von Messdaten und/oder gemessenen Werten Ubatt, Tbatt, C20nom, Uc0max, C0, Q5, Q10 und Q15 der nachfolgend beschriebenen Eingangsparameter unter Verwendung eines Least-Square Verfahrens bestimmt werden. Mit den Regressionskoeffizienten c1, c2, c3, c4, c5, c6, c7, c8 und c9, in der Regel ci, können die Werte Ubatt, Tbatt, C20nom, Uc0max, C0, Q5, Q10 und Q15 skaliert werden.
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Ubatt ist ein gemessener Wert der Batteriespannung in Volt (V), die hier einer Ladespannung entspricht. Tbatt ist ein gemessener Wert der Temperatur der Batterie in Kelvin (K). C20nom ist ein nominaler Wert der Nennkapazität C20 der Batterie in Ampèrestunden (Ah). Uc0max ist ein Wert für eine maximale Ruhespannung der Batterie in Volt. C0 ist ein Wert für eine Ersatzkapazität der Batteriesäure der Batterie und wird in Farad (F) angegeben. Q5, Q10 und Q15 bezeichnen Werte für Stromintegrale über einen Strom Ibatt der Batterie, wobei Q5 dem Wert eines Stromintegrals für einen Strom, der fünf Minuten lang geflossen ist, Q10 dem Wert eines Stromintegrals für einen Strom, der zehn Minuten lang geflossen ist, und Q15 dem Wert eines Stromintegrals für einen Strom, der fünfzehn Minuten lang geflossen ist, entspricht, die Werte für die Stromintegrale werden in Ampèresekunden (As) angegeben.
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In der genannten Regressionsgleichung (1) sind hier lediglich lineare Terme (c·x) eines Werts x für einen Eingangsparameter enthalten. Als mögliche Erweiterung sind auch Terme höherer Ordnung, z. B. zweiter Ordnung (ci·x2) und somit dem Quadrat eines Werts x für einen Eingangsparameter und/oder n-ter Ordnung bzw. n-ter Potenz (ci·xn) für den Wert x eines Eingangsparameters möglich. Weiterhin können mit der Regressionsgleichung (1) Wechselwirkungen von Werten x und y unterschiedlicher Eingangsparameter, z. B. (ci·x·y), verwendet werden. Üblicherweise können auch beliebige andere Methoden zur Approximation des Kennfelds, z. B. neuronale Netze oder Splines, verwendet werden.
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In der Regressionsgleichung (1) sind alle signifikanten Betriebsparameter, die als Eingangsgrößen zu verwenden sind, erfasst. Die Regressionsgleichung (1) kann durch Werte für zusätzliche Eingangsparameter ergänzt werden, die über Regressionskoeffizienten ci skaliert werden.
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Die Eingangsparameter werden mit der Regressionsgleichung (1) zur Bereitstellung des Kennfelds miteinander verknüpft. Mit der Regressionsgleichung (1), die zur Berechnung des Ladezustands verwendet wird, werden mit den Regressionskoeffizienten ci auch eine Regressionsabhängigkeit sowie Gewichtungsfaktoren für die einzelnen Werte der Eingangsparameter berücksichtigt.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform der vorgestellten Anordnung, die zur Durchführung einer Ausführungsform des beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist.
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2 zeigt ein Diagramm zur Durchführung der Ausführungsform des beschriebenen Verfahrens.
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Ausführungsform der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer Anordnung 2, die zum Bestimmen eines Ladezustands eines hier als Batterie 4 ausgebildeten elektrischen Energiespeichers ausgebildet ist. Bei einer Umsetzung des Verfahrens zum Bestimmen des Ladezustands ist vorgesehen, dass für die Batterie 4 ein Ladevorgang durchgeführt wird. Hierbei werden Pole der Batterie 4 über Versorgungsleitungen 6, 8 mit einer elektrischen Energiequelle verbunden.
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Die Anordnung 2 umfasst ein Steuergerät 10 und ein elektrisches Messgerät 12. Zum Bestimmen des Ladezustands wird hier als mindestens ein elektrischer Eingangsparameter zumindest ein Wert eines durch die Batterie 4 fließenden Batteriestroms Ibatt, einer an der Batterie 4 anliegenden Batteriespannung Ubatt und/oder einer Temperatur Tbatt der Batterie mit dem elektrischen Messgerät 12 sensorisch ermittelt, wobei das Messgerät 12, wie in 1 angedeutet, über hier gestrichelt dargestellte Messleitungen mit mindestens einem Pol der Batterie 4 und/oder mindestens einer Versorgungsleitung 6, 8 zu verbinden ist. Dabei ist in 1 eine Messung des Batteriestroms Ibatt nicht explizit dargestellt. In der dargestellten Ausführungsform fließt der Batteriestrom Ibatt durch das Messgerät 12, bspw. durch einen im Messgerät 12 angeordneten Shunt (Messwiderstand). Es ist alternativ auch möglich, dass der durch das Messgerät 12 fließende Batteriestrom Ibatt in dem Messgerät 12 induktiv gemessen wird. Hierbei ermittelte Werte für Eingangsparameter werden zur weiteren Auswertung, d. h. zum Bestimmen des Ladezustands, an das Steuergerät 10 übermittelt und von diesem ausgewertet.
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Einzelne Schritte 14, 16, 18, 20 zur Durchführung des Verfahrens mit der hier gezeigten Ausführungsform der Anordnung 2 sind in dem Diagramm aus 2 gezeigt.
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Dabei wird in einem ersten Schritt 14 eine Ladesituation der Batterie 4 anhand zumindest eines Werts von mindestens einem Eingangsparameter, hier dem Stromintegral, sowie anhand der Batteriespannung Ubatt und/oder einer Temperatur Tbatt der Batterie 4 während des Ladevorgangs bestimmt. Hierzu wird u. a. überprüft, inwiefern ein Wert des mindestens einen Eingangsparameters größer oder kleiner als ein hierfür vorgesehener Schwellwert ist.
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In einem zweiten Schritt 16 wird während des Ladevorgangs der zumindest eine Wert des mindestens einen Eingangsparameters, in der Regel mindestens ein Umgebungsparameter und/oder mindestens ein Betriebsparameter der Batterie 4, von dem elektrischen Messgerät 12 durch Messung erfasst.
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In einem dritten Schritt 18 wird der zumindest eine Wert des mindestens einen Eingangsparameters auf Vorliegen von Plausibilität, bspw. auf Vorliegen von Gültigkeit und Konsistenz, überprüft.
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In einem abschließenden, vierten Schritt 20 des Verfahrens wird ein eigentliches Bestimmen des Ladezustands der Batterie 4 durchgeführt, wenn diese bei dem
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Ladevorgang mit elektrischer Energie geladen wird. Hierbei wird der Ladezustand anhand von zumindest einem Wert für ein Stromintegral als mindestens ein Eingangsparameter und zumindest einem Wert für mindestens einen weiteren erfassten Eingangsparameter über ein Kennfeld bestimmt.
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Dabei kann das Kennfeld über eine Regressionsgleichung in Abhängigkeit von dem zumindest einen Wert des mindestens einen Eingangsparameters vorab experimentell bestimmt werden. Außerdem ist vorgesehen, dass das Kennfeld in dem Steuergerät 10 gespeichert wird. Die hierbei verwendete Regressionsgleichung stellt eine Abhängigkeit des Ladezustands von Werten der Eingangsparameter dar.
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Folglich wird als der mindestens eine Eingangsparameter das Stromintegral des Batteriestroms Ibatt der Batterie 4 verwendet, wobei zumindest ein Wert des Stromintegrals auf Grundlage mindestens eines während des Ladevorgangs gemessenen Eingangsparameters berechnet wird. Der zumindest eine Wert des Stromintegrals wird hier für zumindest ein Zeitintervall während des zumindest einen Zeitintervalls ermittelt. Als mindestens ein weiterer Eingangsparameter wird die Batteriespannung und/oder eine Temperatur der Batterie 4 verwendet. Es ist auch möglich, als mindestens einen zusätzlichen weiteren Eingangsparameter eine elektrische Kapazität der Batterie 4 und/oder eine Ruhespannung der Batterie zu verwenden. Außerdem ist es möglich, weitere Betriebsparameter der Batterie als Eingangsparameter zu verwenden. Dabei können Werte der Eingangsparameter, d. h. zumindest ein Wert des Stromintegrals und zumindest ein Wert des mindestens einen weiteren Eingangsparameters miteinander verknüpft werden. Zudem kann eine Regressionsabhängigkeit von Werten des mindestens einen Eingangsparameters untereinander verwendet werden. Alternativ oder ergänzend ist möglich, einen Gewichtungsfaktor für einen linearen Zusammenhang von zumindest einem Wert des mindestens einen Eingangsparameters zu verwenden.
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Üblicherweise wird zumindest ein Wert des Stromintegrals durch Integration des sensorisch erfassten Batteriestroms Ibatt über die Zeit ermittelt. Dabei ist es möglich für unterschiedliche Zeitintervalle, in der Regel für unterschiedlich lange Zeitintervalle, verschiedene Werte für das Stromintegral zum Bestimmen des Ladezustands zu verwenden. Üblicherweise können die Zeitintervalle, während derer Werte für das Stromintegral bestimmt werden, am Start des Ladevorgangs beginnen und unterschiedlich lang sein. In Ausgestaltung können n Werte des Stromintegrals für n unterschiedliche Zeitintervalle bestimmt werden. Über einen Wert eines Stromintegrals, der während eines Zeitintervalls ermittelt wird, wird ein Wert für die Ladung bereitgestellt, die während dieses Zeitintervalls in die Batterie 4 geflossen ist.
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Die Batterie 4, für die im Rahmen des Verfahrens der Ladezustand bestimmt wird, kann als Starterbatterie eines Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Dabei kann es sich bei der Batterie 4 um einen Blei-Säure-Akkumulator handeln. Alternativ kann das Verfahren auch für eine Batterie 4 durchgeführt werden, die als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgebildet ist.
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Durch Überwachung von zumindest einem Wert für das Stromintegral auf Grundlage eines geflossenen Batteriestroms Ibatt kann auch festgestellt werden, wann die Batterie 4 vollständig geladen ist. Es ist bspw. im Fall von einer als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgebildeten Batterie 4 möglich, den Ladezustand SOC während des Ladevorgangs über zumindest einen Wert des Stromintegrals abzuschätzen, da hier nur geringe Verluste zu erwarten sind. Mit dem Verfahren kann bereits nach einem kurzen Zeitintervall von bspw. 15 Minuten nach Beginn des Ladevorgangs der Ladezustand auf Basis von zumindest einem Wert des Stromintegrals und zumindest einem Wert des mindestens einen weiteren Eingangsparameters ohne zusätzliche Integration bestimmt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006036784 A1 [0003]
