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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Innenwiderstands einer elektrischen Batterie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung eines solchen Verfahrens zur Ermittlung eines Innenwiderstands einer Traktionsbatterie eines Fahrzeugs.
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Aus der
DE 10 2008 041 692 A1 ist ein Verfahren zur Abschätzung des Ladezustandes einer Batterie bekannt mit den folgenden Schritten: a) Unterteilen der Menge der möglichen Wertepaare von Ladestrom und Ladespannung der Batterie in jeweils einem von mehreren Ladezuständen zugeordnete Regionen; b) Erfassen von Wertepaaren von Ladestrom und Ladespannung der Batterie; und c) Festlegen des aktuellen Ladezustandes anhand der Verteilung der erfassten Wertepaare auf die Regionen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Bestimmung eines Innenwiderstands einer elektrischen Batterie und eine Verwendung eines solchen Verfahrens anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Verfahrens mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und hinsichtlich der Verwendung mit den in Anspruch 5 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einem Verfahren zur Bestimmung eines Innenwiderstands einer elektrischen Batterie werden eine elektrische Spannung und ein elektrischer Strom in einem vorgegebenen Zeitraum erfasst. Erfindungsgemäß wird jeweils eine Standardabweichung der über den vorgegebenen Zeitraum erfassten Spannung und des über den vorgegebenen Zeitraums erfassten elektrischen Stroms ermittelt, wobei der Innenwiderstand der elektrischen Batterie aus einem Quotient aus der Standardabweichung der erfassten Ausgangsspannung und der Standardabweichung des erfassten elektrischen Stroms bestimmt wird.
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Das Verfahren ermöglicht eine einfache und zuverlässige Bestimmung des Innenwiderstands einer elektrischen Batterie bei dem eine gleichzeitige Erfassung von Strom und Spannung nicht zwingend erforderlich ist. Zudem kann der Innenwiderstand auch bei verhältnismäßig kleinen Spannungsdifferenzen und Stromdifferenzen über den jeweils zwischen zwei Abtastwerten innerhalb des vorgegeben Zeitraums bestimmt werden. Die Berechnungsgrundlagen zur Bestimmung des Innenwiderstands sind dabei in eine Auswerteeinheit, z. B. in ein Steuergerät eines Fahrzeugs, integrierbar, wobei eine Bestimmung des Innenwiderstands kontinuierlich möglich ist. Mittels des Innenwiderstands können anschließend Rückschlüsse über Temperatureinflüsse in der elektrischen Batterie gezogen werden. So weist beispielsweise ein großer Innenwiderstand auf eine sehr warme Betriebstemperatur der elektrischen Batterie hin.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild einer elektrischen Batterie,
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2 ein Stromzeitdiagramm einer elektrischen Batterie,
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3 ein Spannungszeitdiagramm der elektrischen Batterie und
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4 ein Widerstandszeitdiagramm der elektrischen Batterie.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Ersatzschaltbild einer elektrischen Batterie 1, z. B. eine Traktionsbatterie für ein Fahrzeug, welche vereinfacht mit einem Widerstandssymbol dargestellt ist. Das Widerstandssymbol repräsentiert hierbei einen Innenwiderstand der elektrischen Batterie 1, über dem eine Batteriespannung URi abfällt.
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Der Innenwiderstand ist ein Maß für die Leistungsfähigkeit der elektrischen Batterie 1. Beispielsweise weist eine leistungsfähige elektrische Batterie 1 einen kleineren Innenwiderstand auf als eine elektrische Batterie 1, deren Leistungsfähigkeit herabgesetzt ist.
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Üblicherweise liegt an einem elektrischen Ausgang der elektrischen Batterie 1 kontinuierlich eine Leerlaufspannung Uoc an, so dass konstante Spannungsanteile den Innenwiderstand beeinflussen und eine Ausgangsspannung Umess, welche den Abfall der Batteriespannung URi über dem Innenwiderstand der elektrischen Batterie 1 anzeigt, nicht zuverlässig mittels des Ohm'schen Gesetzes bestimmbar ist.
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Um die konstanten Spannungsanteile bei der Bestimmung des Innenwidersands der elektrischen Batterie 1 zu eliminieren, kann beispielsweise die erfasste Ausgangsspannung Umess bei einem Strompuls über einen vorgegebenen Zeitraum differenziert werden, wobei der Innenwiderstand über einen Spannungsanstieg zwischen zumindest zwei Zeitpunkten bei einem vorgegebenen Stromanstieg bestimmt wird. Der Innenwiderstand lässt sich damit in Anlehnung an das Ohm'sche Gesetz mit folgender Gleichung bestimmen: Ri = ΔU / ΔI (1), mit:
- Ri
- = Innenwiderstand;
- ΔU
- = Spannungsdifferenz;
- ΔI
- = Stromdifferenz.
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Die Spannungsdifferenz ΔU enthält dabei einen Wert für den o. g. Spannungsanstieg und analog dazu die Stromdifferenz ΔI einen Wert für den o. g. Stromanstieg.
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Bei der Bestimmung des Innenwiderstands gemäß Gleichung (1) ist es erforderlich, dass die Ausgangsspannung Umess und ein elektrischer Strom der elektrischen Batterie 1 gleichzeitig erfasst werden und der Wert des Spannungsanstiegs und/oder des Stromanstiegs einen entsprechend hohen Wert aufweisen bzw. aufweist, so dass der Innenwiderstand annähernd zuverlässig bestimmt werden kann. Allerdings sind entsprechend hohe Werte für einen Spannungs- und/oder Stromanstieg im realen Betrieb der elektrischen Batterie 1, insbesondere wenn diese eine Traktionsbatterie eines Fahrzeugs ist, nicht immer realisierbar.
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Dazu zeigt 2 ein beispielhaftes Strom-Zeit-Diagramm mit einer Ordinate y und einer Abszisse x, wobei die Ordinate y einen elektrischen Strom und die Abszisse y einen Zeitraum darstellt. Der elektrische Strom ist hierbei über einen Zeitraum von ca. 3,5 Stunden erfasst worden. 3 zeigt ein Spannungs-Zeit-Diagramm, wobei die Ordinate y hierbei die Ausgangsspannung Umess darstellt. Die Ausgangsspannung Umess ist gleichzeitig zum elektrischen Strom über einen Zeitraum von ca. 3,5 Stunden erfasst worden. Beide Diagramme zeigen einen realen zeitlichen Strom- und Spannungsverlauf während des Betriebs der elektrischen Batterie 1, wobei zu erkennen ist, dass ein Spannungsanstieg und ein Stromanstieg über den gesamt erfassten Zeitraum sehr niedrig ist.
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Die Erfindung schlägt daher ein Verfahren zur Bestimmung eines Innenwiderstands einer elektrischen Batterie 1 vor, mittels dem der Innenwiderstand auf einfache Art und Weise sowie zuverlässig bestimmbar ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem ersten Schritt jeweils ein Mittelwert der Ausgangsspannung U
mess und des elektrischen Stroms der Batterie
1 gebildet, wobei der Mittelwert jeweils aus einer vorgegebenen Anzahl von Abtastwerten innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums gebildet wird. Der Mittelwert kann mit Hilfe folgender Gleichung ermittelt werden:
mit:
- X
- = Mittelwert;
- N
- = Anzahl der Werte;
- Xi
- = i-te, zu erfassende Parameter.
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Für den Parameter Xi kann dabei die Ausgangsspannung Umess und der elektrische Strom der Batterie 1 eingesetzt werden, so dass X den Mittelwert der erfassten Ausgangsspannung Umess bzw. des erfassten elektrischen Stroms darstellt.
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Mithilfe des Mittelwerts kann für die erfasste Ausgangsspannung U
mess und für den elektrischen Strom jeweils eine Standardabweichung mit folgender Gleichung ermittelt werden:
mit:
- σ
- = Standardabweichung.
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Die Standardabweichungen jeweils für die Ausgangsspannung U
mess und für den elektrischen Strom werden anschließend in folgende Gleichung eingesetzt:
mit:
- σ(Umess)
- = Standardabweichung der Ausgangsspannung;
- σ(I)
- = Standardabweichung des elektrischen Stroms.
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Mittels der o. g. Gleichung (4) kann der Innenwiderstand zuverlässig bestimmt werden, wobei die Ausgangsspannung Umess und der elektrische Strom nicht zwingend gleichzeitig erfasst werden müssen. Mittels der Standardabweichungen ist es zudem möglich, den Innenwiderstand der elektrischen Batterie 1 mit geringen Spannungs- und Stromdifferenzen über dem vorgegebenen Zeitraum zuverlässig zu bestimmen. Darüber hinaus ermöglicht das zuvor beschriebene Verfahren eine nahezu kontinuierliche Bestimmung des Innenwiderstands der elektrischen Batterie 1.
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Da der Innenwiderstand aber nur dann bestimmbar ist, wenn eine Änderung des elektrischen Stroms erfolgt, d. h., ein positiver oder negativer Stromanstieg, kann zusätzlich ein Schwellwert vorgegeben werden, unterhalb dessen eine Bestimmung des Innenwiderstands nicht erfolgt.
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Die 4 zeigt ein beispielhaftes Widerstands-Zeitdiagramm mit einer Ordinate y und einer Abszisse x, wobei die Ordinate y den Innenwiderstand und die Abszisse x einen Zeitraum analog zu den 2 und 3 darstellt.
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In dem Diagramm sind zwei Verläufe V1, V2 des Innenwiderstands dargestellt, wobei bei einem ersten Verlauf V1 des Innenwiderstands dieser gemäß Gleichung (1) bestimmt wurde. Bei einem zweiten Verlauf V2 ist der Innenwiderstand erfindungsgemäß mittels Gleichung (4) bestimmt worden. Der zweite Verlauf V2 zeigt eine geringere Streuung des Innenwiderstands über den Zeitraum. Ein Zeitfenster zur Bestimmung jeweils eines Wertes für den Innenwiderstand kann beliebig vorgegeben werden, beispielsweise ist ein Zeitfenster mit 10 Sekunden oder 60 Sekunden vorgegeben. D. h., die Mittelwerte der Ausgangsspannung Umess und des elektrischen Stroms werden jeweils für erfasste Spannungs- und Stromwerte innerhalb des Zeitfensters gemäß Gleichung (2) bestimmt.
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Die Berechnungsgrundlagen des zuvor beschriebenen Verfahrens können in eine Steuereinheit, z. B. ein Steuergerät innerhalb des Fahrzeugs, integriert werden, so dass eine automatische Bestimmung des Innenwiderstands erfolgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008041692 A1 [0003]
