DE102013021640A1

DE102013021640A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen des Leistungspotentials einer Batterie

Info

Publication number: DE102013021640A1
Application number: DE102013021640.0A
Authority: DE
Inventors: Matthias Friese; Kemal Hajvazovic
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2015-06-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine damit betriebene Vorrichtung zum Bestimmen einer verfügbaren Leistung einer ein oder mehrere galvanische Elemente umfassenden Batterie eines Kraftwagens, wobei die verfügbare Leistung mittels einer Prozessoreinheit bestimmt wird, die an einen elektronischen Sensor gekoppelt ist und wobei von der Prozessoreinheit, an Hand einer von dem elektronischen Sensor erfassten Steilheit und Länge einer Flanke eines Stroms und/oder einer Spannung der Batterie bei vorbestimmten Belastungen, eine Aussage über die dem Kraftwagen zur Verfügung stehende Leistung der Batterie getroffen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer verfügbaren Leistung einer Batterie, insbesondere für Kraftwagen, sowie eine Vorrichtung, in der das Verfahren implementierbar ist.
Der Siegeszug der Kraftwagen dauert nun seit mehreren Jahrzehnten an, wobei mit der Zunahme der Anzahl von Kraftwagen auch die Anzahl der Verkehrsunfälle angestiegen ist. Um Verkehrsunfälle mit Kraftwagen zu reduzieren, werden ständig neue Entwicklungen, wie beispielsweise Fahrdynamikregelungen, Bremskraftverstärker, Servolenkung usw. vorangetrieben, um das Fahren sicherer zu gestalten bzw. zu vereinfachen. Ein Großteil der Fahrhilfen werden elektronisch gesteuert und angetrieben und sind demnach von einer zuverlässigen Energiezufuhr abhängig. Bei herkömmlichen Kraftwagen liefert diese Energie im Allgemeinen eine 12 V- bzw. 24 V-Batterie. Deswegen ist es für einen Fahrer des Kraftwagens wichtig zu wissen, ob die in der Batterie gespeicherte Energie ausreichend ist, um sicherheitsrelevante Systeme des Kraftwagens mit ausreichend Energie versorgen zu können, um damit ein Versagen der Systeme und so letztlich Unfälle zu vermeiden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bestimmen einer verfügbaren Leistung einer Batterie eines Kraftwagens vorzusehen, welches einfach und zuverlässig funktioniert. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Betreiben eines solches Verfahren bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mittels eines Verfahrens zum Bestimmen einer verfügbaren Leistung einer ein oder mehrere galvanische Elemente umfassenden Batterie eines Kraftwagens gelöst, bei der die verfügbare Leistung mittels einer Prozessoreinheit bestimmt wird, die an einen elektronischen Sensor gekoppelt ist, und wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

– der elektronische Sensor erfasst eine Steilheit und Länge einer Flanke eines Stroms und/oder einer Spannung der Batterie während zumindest eines ersten Belastungszustandes der Batterie;
– der elektronische Sensor stellt die erfasste Steilheit und Länge der Flanke der Prozessoreinheit zur Weiterverarbeitung bereit;
– die Prozessoreinheit weist der erfassten Steilheit und/oder Länge der Flanke in Abhängigkeit zumindest eines zweiten vorbestimmten Belastungszustandes der Batterie eine Klasse zu;
– die Prozessoreinheit weist der erfassten Steilheit und/oder Länge der Flanke in Abhängigkeit zumindest eines vorbestimmten zweiten Belastungszustandes der Batterie eine Gewichtung zu;
– die Prozessoreinheit bestimmt die verfügbare Leistung der Batterie anhand der Klasse und der Gewichtung der erfassten Steilheit und/oder Länge der Flanke und
– die Prozessoreinheit prüft, ob die verfügbare Leistung größer als ein vorbestimmter Leistungsgrenzwert ist.

Dabei ist es auf einfache Weise möglich, dem Fahrer während der Fahrt Aufschluss darüber zu geben, ob die in der Batterie des Kraftwagens gespeicherte Energie ausreichend ist, damit sicherheitskritische Systeme im Kraftwagen genutzt werden können. Schließlich benötigt beispielsweise eine Fahrdynamikregelung oder Servolenkung besonders viel Energie dann, wenn der Kraftwagen in eine fahrkritische Situation gerät und der Fahrer bzw. automatische Systeme des Kraftwagens adäquat auf solche Ausnahmesituation reagieren müssen. Um eine zuverlässige Vorhersage über eine verfügbare Leistung der Batterie des Kraftwagens treffen zu können, bedient sich das Verfahren einer Auswertung eines dynamischen Innenwiderstands der Batterie, in Abhängigkeit zumindest eines Belastungszustands der Batterie des Kraftwagens. Der dynamische Innenwiderstand, auch als Ausgangswiderstand oder Quellwiderstand bezeichnet, charakterisiert den Ausgang eines elektronischen Bauteils, einer Baugruppe oder eines Gerätes – hier Batterie – bei Belastungsänderungen. Anhand des Wertes des dynamischen Innenwiderstands der Batterie kann ein „Ansprechverhalten” bzw. Belastungsverhalten der Batterie bestimmt werden. Je nach Belastungszustand werden dabei von dem elektronischen Sensor der Batterie mehr oder weniger steile und unterschiedlich lange Flanken des Stroms und/oder der Spannung aufgenommen. Beispielsweise ergeben sich bei Startvorgängen, Betätigung einer Bremse mit Bremskraftverstärkung oder beim Einsatz einer Servolenkung kurzzeitig hohe Belastungen der Batterie, die zu besonders steilen aber lediglich kurz andauernden Flanken einer geringen Länge führen. Im Vergleich dazu sind die von dem elektronischen Sensor der Batterie erfassten Flanken bei der Betätigung eines Scheibenwischers oder eines Fensterhebers des Kraftwagens weniger steil, dafür aber länger. Je nach Belastungszustand der Batterie wird diesem von der Prozessoreinheit einer Klasse zugeordnet. Des Weiteren weist die Prozessoreinheit dem jeweiligen Belastungszustand der Batterie eine Gewichtung zu. Anhand der Klasse und der Gewichtung der erfassten Steilheit und Länge der Flanke ist die Prozessoreinheit in der Lage, eine verfügbare Leistung der Batterie zu bestimmen und dadurch festzustellen, ob diese oberhalb eines Leistungsgrenzwerts liegt, der ein sicheres Fahren mit dem Kraftwagen erlaubt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Flanke des Stroms und/oder der Spannung abhängig von einer Häufigkeit eines vorbestimmten weiteren – zweiten – Belastungszustands der Batterie klassifiziert und/oder gewichtet. Demnach ist die Prozessoreinheit in der Lage, mit dem Verfahren geringere Abweichungen beim Auftreten der Flanken in Abhängigkeit eines bestimmten Belastungszustands bei der Ermittlung der verfügbaren Leistung der Batterie zu berücksichtigen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine mit dem vorstehenden Verfahren betriebene Vorrichtung zum Bestimmen einer verfügbaren Leistung einer ein oder mehrere galvanische Elemente umfassenden Batterie eines Kraftwagens, umfassend

– einen elektronischen Sensor zum Erfassen einer Steilheit und Länge einer Flanke eines Stroms und/oder einer Spannung der Batterie während zumindest eines ersten Belastungszustandes der Batterie und Bereitstellen der erfassten Steilheit und Länge der Flanke für eine Weiterverarbeitung; sowie
– eine Prozessoreinheit, die eingerichtet ist, die erfasste Steilheit und Länge der Flanke in Abhängigkeit eines vorbestimmten zweiten Belastungszustandes der Batterie zu klassifizieren und zu gewichten sowie die verfügbare Leistung der Batterie anhand der erfassten Steilheit und Länge der Flanke zu bestimmen und zu prüfen, ob die bestimmte verfügbare Leistung größer als ein vorbestimmter Leistungsgrenzwert ist,
– eine Ausgabe, die eingerichtet ist, eine Warnung und/oder Ergebnis auszugeben, wenn die ermittelte verfügbare Leistung unterhalb des Leistungsgrenzwertes liegt.

Dabei kann eine Ausgabe visuell auf einem Armaturenbrett des Kraftwagens und und/oder auditiv über Lautsprecher des Kraftwagens erfolgen.
Im Folgenden werden die Erfindung und beispielhafte Ausführungsformen anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei veranschaulicht die einzige Figur anhand eines Flussdiagramms eine Ermittlung einer verfügbaren Leistung einer Batterie eines Kraftwagens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Das in der Figur veranschaulichte Verfahren kann beispielsweise in einem Prozessor einer Batterie integriert werden oder Teil eines Batteriemanagementsystems eines Kraftwagens sein. Das Verfahren bedient sich eines elektronischen Sensors sowie einer Prozessoreinheit zur Auswertung der vom elektronischen Sensor erfassten Signale. Zur Ausgabe des Ergebnisses kann eine im Armaturenbrett eines Kraftwagens integrierte Anzeige verwendet werden – in der Figur nicht gezeigt.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kommt das Verfahren zum Bestimmen einer verfügbaren Leistung einer ein oder mehrere galvanische Elemente umfassenden Batterie eines Kraftwagens beim Betrieb des Kraftwagens zum Einsatz. Dabei erfasst der elektronische Sensor in einem ersten Schritt S1 eine Steilheit und Länge einer Flanke eines Stroms und/oder einer Spannung der Batterie während eines Belastungszustands der Batterie. Bei dem Belastungszustand der Batterie kann es sich um mehrere Belastungszustände handeln, die gleichzeitig auf die verfügbare Leistung der Batterie zurückgreifen müssen; dabei handelt es sich jeweils um Ist-Zustände des Belastungszustands der Batterie während des Betriebs des Kraftwagens. In einem zweiten Schritt S2 stellt der elektronische Sensor die erfasste Steilheit und Länge der Flanke einer Prozessoreinheit zur Weiterverarbeitung bereit. Die Prozessoreinheit kann in der Batterie des Kraftwagens integriert sein oder ein Teil des Batteriemanagementsystems des Kraftwagens sein.
In einem weiteren dritten Schritt S3 weist die Prozessoreinheit der erfassten Steilheit und/oder Länge der Flanke des eine Klasse zu. Unter Klasse wird hier die Einteilung von Merkmalswerten in getrennten Gruppen verstanden. Die Einteilung in die entsprechenden Klassen erfolgt in Abhängigkeit zumindest eines vorbestimmten Belastungszustands. Der vorbestimmte Belastungszustand kann ein in dem Prozessor hinterlegter fester Wert sein, der die Flanke bzw. deren Steilheit und/oder Länge – dann als Vektor beschrieben – enthält.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann der vorbestimmte Belastungszustand in Abhängigkeit von charakteristischen Fahrleistungen und Eckdaten des Kraftwagens zur Laufzeit berechnet werden. Demnach gibt eine mögliche Einteilung der Klassen Aufschluss darüber, was für eine Art der Belastung die Batterie im Betrieb des Kraftwagens erfahren hat. Dabei wird zwischen kurzen und steilen Flanken des Innenwiderstands und flachen und langen Flanken eines dynamischen Innenwiderstands unterschieden, die für geringe, aber lang andauernde Belastungen der Batterie bzw. für kurze, aber hohe Belastungen der Batterie stehen.
In einem weiteren Schritt S4 weist die Prozessoreinheit der erfassten Steilheit und/oder Länge der Flanke des in Abhängigkeit – beispielsweise einer Wichtigkeit – des Belastungszustands der Batterie eine Gewichtung zu.
Anhand einer Zuordnung der Prozessoreinheit von bestimmten Klassen und/oder Gewichtungen der Flanken des dynamischen Innenwiderstands kann die Prozessoreinheit die verfügbare Leistung der Batterie ableiten bzw. bestimmen – Schritt S5. In einem weiteren Schritt S6 prüft die Prozessoreinheit, ob die ermittelte verfügbare Leistung im Betrieb des Kraftwagens größer als ein vorbestimmter Leistungsgrenzwert ist. Dadurch kann sichergestellt werden, ob die in der Batterie gespeicherte Leistung für den Betrieb von sicherheitskritischen Komponenten bzw. Systemen im Kraftwagen ausreicht oder nicht.
Sofern ein von der Prozessoreinheit ermitteltes Ergebnis die verfügbare Leistung der Batterie des Kraftwagens als nicht ausreichend einstuft, kann ein Ergebnis einer Ausgabe – beispielsweise einer Anzeige im Armaturenbrett des Kraftwagens – in einem zusätzlichen Schritt S7 zugeführt werden, um den Fahrer auf eine potentielle Unfallgefahr aufmerksam zu machen oder ein weiteres Fahren mit dem Kraftwagen zu unterbinden.
Beim Ermitteln der verfügbaren Leistung können auch weitere Daten wie: Temperatur, und/oder Kapazität und/oder Alter und/oder Ladehäufigkeit der Batterie verwendet werden, um eine genauere Aussage über die vorhandene Leistung in der Batterie treffen zu können.
Dadurch kann ein sicheres Funktionieren des Kraftwagens gewährleistet werden.
Bezugszeichenliste

S1

Verfahrensschritt

S2

Verfahrensschritt

S3

Verfahrensschritt

S4

Verfahrensschritt

S5

Verfahrensschritt

S6

Verfahrensschritt

S7

Verfahrensschritt

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer verfügbaren Leistung einer ein oder mehrere galvanische Elemente umfassenden Batterie eines Kraftwagens, wobei die verfügbare Leistung mittels einer Prozessoreinheit bestimmt wird, die an einen elektronischen Sensor gekoppelt ist, und wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: der elektronische Sensor erfasst (S1) eine Steilheit und Länge einer Flanke eines Stroms und/oder einer Spannung der Batterie während zumindest eines ersten Belastungszustandes der Batterie; der elektronische Sensor stellt die erfasste Steilheit und Länge der Flanke einer Prozessoreinheit zur Weiterverarbeitung bereit (S2); die Prozessoreinheit weist der erfassten Steilheit und/oder Länge der Flanke in Abhängigkeit zumindest eines zweiten vorbestimmten Belastungszustandes der Batterie eine Klasse zu (S3); die Prozessoreinheit weist der erfassten Steilheit und/oder Länge der Flanke in Abhängigkeit zumindest eines vorbestimmten zweiten Belastungszustandes der Batterie eine Gewichtung zu (S4); die Prozessoreinheit bestimmt die verfügbare Leistung der Batterie anhand der Klasse und der Gewichtung der erfassten Steilheit und/oder Länge der Flanke (S5); und die Prozessoreinheit prüft, ob die verfügbare Leistung größer als ein vorbestimmter Leistungsgrenzwert ist (S6).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanke abhängig von einer Häufigkeit des vorbestimmten zweiten Belastungszustands der Batterie klassifiziert und/oder gewichtet wird (S3, S4).
Vorrichtung zum Bestimmen einer verfügbaren Leistung einer ein oder mehrere galvanische Elemente umfassenden Batterie eines Kraftwagens, umfassend: einen elektronischen Sensor zum Erfassen einer Steilheit und Länge einer Flanke eines Stroms und/oder einer Spannung der Batterie während zumindest eines ersten Belastungszustandes der Batterie und Bereitstellen der erfassten Steilheit und Länge der Flanke für eine Weiterverarbeitung; eine Prozessoreinheit, die eingerichtet ist, die erfasste Steilheit und/oder Länge der Flanke in Abhängigkeit eines vorbestimmten zweiten Belastungszustandes der Batterie zu klassifizieren und zu gewichten sowie die verfügbare Leistung der Batterie anhand der erfassten Steilheit und Länge der Flanke zu bestimmen und zu prüfen, ob die bestimmte verfügbare Leistung größer als ein vorbestimmter Leistungsgrenzwert ist, und eine Anzeige, die eingerichtet ist, eine Warnung und/oder ein Ergebnis auszugeben, wenn die ermittelte verfügbare Leistung unterhalb des Leistungsgrenzwertes liegt.