DE102014221549A1

DE102014221549A1 - Verfahren zur Überwachung des Ladezustands einer Batterie

Info

Publication number: DE102014221549A1
Application number: DE102014221549.8A
Authority: DE
Inventors: Mark Eifert; Birger Fricke
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-10-23
Filing date: 2014-10-23
Publication date: 2016-05-12
Anticipated expiration: 2034-10-24
Also published as: DE102014221549B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Ladezustands einer Batterie eines Kraftfahrzeugs, bei dem der Batteriestrom zu Zeitpunkten ermittelt wird, zu denen die Batterieladespannung auf einen definierten Grenzwert heruntergefahren ist. Der so ermittelte Batteriestrom wird einer Auswerteeinheit übermittelt, welche ein Alarmsignal erzeugt, falls mittels des ermittelten Batteriestroms in einem definierten Zeitraum keine Entladung der Batterie gemessen wird. Der Grenzwert für das Herunterfahren der Batterieladespannung ist so gewählt, dass der erfindungsgemäße Algorithmus hierdurch identifizieren kann, ob der Ladezustand einer Batterie oberhalb oder unterhalb einer Schwelle liegt, oberhalb der eine bestimmte elektrische Funktionsfähigkeit der Batterie garantiert werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Ladezustands einer Batterie eines Kraftfahrzeugs. Bei der überwachten Batterie handelt es sich insbesondere um einen Bleiakkumulator eines Kraftfahrzeugs.
Die Starterbatterie eines Kraftfahrzeugs ist ein Akkumulator, der den elektrischen Strom für den Anlasser eines Verbrennungsmotors liefert. Die Batterie eines Elektrofahrzeugs, welche für den Antrieb des Fahrzeugs dient, wird dagegen als Traktionsbatterie bezeichnet. Ergänzend können Elektrofahrzeuge oder Hybrid-Fahrzeuge auch eine Starterbatterie aufweisen. Als Batterien können beispielsweise Bleiakkumulatoren eingesetzt werden, welche jedoch im Folgenden auch als Bleibatterien bezeichnet werden.
Derartige Batterien eines Fahrzeugs werden fortlaufend geladen und entladen. Die Beladung erfolgt beispielsweise über eine Lichtmaschine oder bei Steckdosen-Elektrofahrzeugen durch Anschluss des Fahrzeugs an eine lokale Stromversorgung. Dabei können verschiede Strategien für das Management automobiler Stromversorgungen implementiert werden. Strategien zur Steuerung von Lichtmaschinen, welche die Stromerzeugung auf Phasen des Betriebs des Antriebsstrangs ausrichten, während denen elektrische Energie wenig oder gar nichts kostet, müssen einen Batterieladezustand (SOC – State of Charge) aufrecht erhalten, der unterhalb des vollen Ladezustands und oberhalb eines Mindestzustands liegt, der die elektrische Funktionstüchtigkeit garantiert. Ein Batterieüberwachungssystem, das eine Schätzung des Ladezustands oder die Identifizierung hoher oder niedriger Ladezustände vornimmt, muss daher sicherstellen, dass die Batterie immer ausreichend geladen ist, um ihre Funktionstüchtigkeit sicherzustellen.
Strategien zur Steuerung von Niederspannungssystemen (12 V) für Steckdosen-Hybridfahrzeuge (PHEV) und Elektrofahrzeuge (BEV) bilden eine zweite Klasse von Strategien zur Steuerung der Stromversorgung. Sie können eine Ausgleichsladung und eine Erhaltungsladung aktivieren in Abhängigkeit von einem bestimmten Zeitplan, vom Fahrzeugmodus oder elektrischen Lasten, die aktiviert sind. Solche Strategien erfordern ebenfalls das Überwachen des Batterieladezustands, weil insbesondere das Erhaltungsladen eine teilweise Ladezustandsbedingung darstellt, die sich rasch zu einem niedrigen Ladezustand verschlechtern kann.
Aus dem Stand der Technik bekannte Batterieüberwachungssysteme verwenden beispielsweise als Stromsensoren Hall-Sensoren oder Shunt-Messwiderstände, die jeweils direkt an einem Batteriepol angebracht sind. Dies bringt jedoch bestimmte Einschränkungen bzw. Vorgaben für die Verkapselung und Anordnung der Batterie mit sich. Der gemessene Batteriestrom wird dann typischerweise in Echtzeit integriert und zu einem Ausgangswert hinzuaddiert, um den aktuellen Ladezustand zu schätzen. Somit ist das Ergebnis ein kontinuierlich errechneter Wert, der den tatsächlichen Ladezustand abschätzen soll.
Shunt-Messwiderstände können über einen weiten Bereich von Stromgrößen sehr genau sein. Deshalb sind sie zum Messen des Batteriestroms während des Fahrzeugbetriebs und während Parkphasen geeignet, aber sie sind relativ kostenintensiv. Hall-Sensoren sind weniger kostenintensiv, sind aber gewöhnlich dafür ausgelegt, Strom nur innerhalb eines begrenzten Bereichs präzise zu messen. Ihre Genauigkeit kann die Genauigkeit der Schätzung des Ladezustands beschränken. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Sensor dafür dimensioniert ist, hohe oder mittlere Ströme zu messen, aber das Fahrzeug lange Zeit mit niedrigen, aber dennoch signifikanten Lasten geparkt bleibt.
Der Ausgangswert, der in Verbindung mit einer Stromintegration verwendet wird, kann durch Messen der Leerlaufspannung der Batterie und unter Verwendung einer hinterlegten Korrelation (look-up table) bestimmt werden, nachdem die Batterie ohne signifikanten Lade- oder Entladestrom mehrere Stunden geruht hat. Dies kann als eine Neukalibrierung des Ladezustands angesehen werden, der während der vorangegangenen Fahrt bestimmt wurde. Periodische oder konstante Lasten verschlechtern jedoch diese Anfangsschätzung. Andere Implementierungskonzepte arbeiten mit einer Messung des Batteriespannung, während die Batterie mit einer bekannten hohen Last entladen wird, zum Beispiel während des Durchdrehens des Anlassers, um den Anfangsladezustand zu schätzen.
Das erste Verfahren, welches die Leerlaufspannung der Batterie verwendet, kann nicht zuverlässig in einem Plug-In-Fahrzeug (PHEV oder BEV) verwendet werden. Dies gilt auch für konventionelle Fahrzeuge, wie zum Beispiel Taxis oder Streifenwagen der Polizei, welche die ganze Nacht mit wechselnden Fahrern gefahren werden. Im Fall von PHEVs und BEVs gibt es, falls ein Laden am Netz über einen Zeitraum von mehreren Stunden erfolgt, keine Garantie, dass genügend Zeit vorhanden ist, damit die Leerlaufspannung vor der nächsten Fahrt einen stabilen Zustand erreichen kann. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die elektrischen Architekturen von bekannten Stromversorgungen während des Ladens der Traktionsbatterie am Netz nicht die Bleibatterie von der Niederspannungsstromquelle trennen. Falls nicht genug Ruhezeit verstrichen ist, um die Leerlaufspannung im stabilen Zustand zu messen, kann die endgültige Schätzung des Ladezustands, der während der letzten Fahrt errechnet wurde, zwar als ein Ausgangswert verwendet werden. Hierdurch verschlechtert sich jedoch die Genauigkeit.
Schlussendlich müssen die Kosten eines Batterieüberwachungssensors (Battery Monitoring Sensor – BMS) durch seine Funktion wieder hereingeholt werden. Die vorrangige Funktion eines Batterieüberwachungssensors besteht darin, die Fähigkeit der Batterie zu überwachen, nach Bedarf elektrischen Strom bei Mindestspannungspegeln zu liefern. Jedoch besteht ein Nachteil der Verwendung eines Stromintegrationsverfahrens zum Schätzen der elektrischen Funktionstüchtigkeit der Batterie darin, dass ihre Stromabgabefähigkeit nicht immer durch den Ladezustand widergespiegelt wird, selbst wenn der SOC genau bekannt ist. Dies ist besonders dann der Fall, wenn die Batterie gealtert ist.
Die oben beschriebenen Genauigkeitsprobleme, zusammen mit Kostenzwängen und baulichen Vorgaben, die durch konventionelle Batterieüberwachungssensoren bedingt werden, führen zu einem Bedarf nach neuen Batterieüberwachungstechnologien.
Die EP 1 321 773 A1 offenbart beispielsweise ein Verfahren zur Feststellung der verbleibenden Kapazität einer Batterie, bei dem eine Korrelation zwischen der verbleibenden Kapazität der Batterie und vier Parametern verwendet wird. Zu den Parametern zählen der Innenwiderstand der Batterie, die Temperatur, der Entladestrom und die Leerlaufspannung oder die Entladespannung. Die Korrelation zwischen diesen Parametern wird durch Messung bestimmt und daraus ein oder mehrere Diagramme erstellt. Anhand von wenigstens zwei variierenden Parametern, die während des Betriebs der Batterie gemessen werden, wird aus den Diagrammen die zugehörige verbleibende Kapazität der Batterie bestimmt. Auch die EP 1 503 219 verwendet ein Verfahren, bei dem die Korrelation zwischen einer verbleibenden Kapazität der Batterie und gemessenen Parametern aus einer Referenztabelle entnommen wird. Mit hoher Genauigkeit soll die verbleibende Kapazität einer Batterie auch mit Verfahren ermittelt werden, wie sie beispielsweise die US 7,355,411 oder die US 7,990,111 offenbaren.
Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der Erfindung, ein einfacheres Verfahren zur Überwachung des Zustands einer Batterie bereitzustellen, mit dem ein ausreichend hoher Ladezustand der Batterie sichergestellt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 2–10.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Überwachung des Ladezustands einer Batterie eines Kraftfahrzeugs wird der Batteriestrom zu Zeitpunkten ermittelt, zu denen die Batterieladespannung auf einen definierten Grenzwert heruntergefahren ist. Der so ermittelte Batteriestrom wird einer Auswerteeinheit übermittelt, welche ein Alarmsignal erzeugt, falls mittels des ermittelten Batteriestroms für einen definierten Überwachungszeitraum keine Entladung der Batterie gemessen wird. Dabei ist der Grenzwert für die Batterieladespannung so gewählt, dass eine Entladung der Batterie stattfindet, wenn der Ladezustand der Batterie oberhalb einer definierten Schwelle liegt. Der verwendete Überwachungszeitraum kann ein fest definierter Wert sein oder fortlaufend an den aktuellen Zustand der Batterie angepasst werden. Bei der so überwachten Batterie handelt es sich insbesondere um eine Bleibatterie.
Der Grenzwert für das Herunterfahren der Batterieladespannung ist so gewählt, dass der erfindungsgemäße Algorithmus hierdurch identifizieren kann, ob der Ladezustand einer Batterie oberhalb oder unterhalb einer Schwelle liegt, oberhalb der die elektrische Funktionsfähigkeit der Batterie immer garantiert werden kann. Der Algorithmus identifiziert dabei jedoch nur diskrete Ladezustände, denn er ermittelt nur, ob der Ladezustand hoch und niedrig mit Bezug auf die Schwelle ist. Das heißt, er detektiert diskrete Zustände, anstatt einen genauen Ladezustand so genau wie möglich zu schätzen.
Anstatt kontinuierlich eine Schätzung des Ladezustands zu berechnen, gibt der Algorithmus ein Signal aus, das identifiziert, ob der Ladezustand oberhalb oder unterhalb einer vorgegebenen Schwelle liegt. Wird innerhalb eines definierten Zeitraums nach dem Herunterfahren der Batterieladespannung keine Entladung gemessen, bedeutet dies, dass der Ladezustand unterhalb der Schwelle liegt und somit nicht ausreichend ist. Wird dagegen eine Entladung festgestellt, bedeutet dies, dass der Ladezustand oberhalb der Schwelle liegt und ausreichend hoch ist. Das Verfahren nimmt somit nur die Bestimmung eines niedrigen oder hohen Ladezustands vor, was aber für typische Lade- und Stopp-Start-Steuerungsstrategien ausreicht, die auf die Minimierung des Kraftstoffverbrauchs abzielen. Auch für Strategien für das Stromversorgungsmanagement von Plug-In-Fahrzeugen, die dafür ausgelegt sind, eine lange Batterielebensdauer zu wahren und die Reichweite des Elektroantriebs zu maximieren, reicht dies aus.
Der Algorithmus führt daher auch keine anfängliche Schätzung des Ladezustands nach einem langen Ruhezeitraum durch, was ansonsten die zuvor genannten Probleme mit sich bringen würde. Auch kann der Algorithmus ohne einen Pol-montierten Batteriestromsensor und/oder Batteriespannungssensor implementiert werden.
Die gemessenen Werte können der Auswerteeinheit von einem Sensor direkt oder indirekt übermittelt werden. Ferner muss die Auswerteeinheit kein eigenständiges Modul sein, sondern ihre Funktionalität kann auch durch das Zusammenwirken mehrerer Einzelmodule gebildet werden.
Die Bestimmung eines hohen oder niedrigen Ladezustands mit Bezug auf eine Schwelle erfolgt erfindungsgemäß durch Überwachen des Batteriestroms, während die Spannung an den Batterieanschlüssen mindestens für einen Augenblick auf eine Spannung abgesenkt wird, die der kalibrierten Schwelle entspricht. Dabei kann Batteriestrom direkt oder auch indirekt durch Messen des Ausgangsstroms einer Stromquelle ermittelt werden, mit welcher die Batterie geladen wird. Bei dieser Stromquelle handelt es sich insbesondere um einen Generator (z.B. eine Lichtmaschine) oder einen DCDC-Wandler des Kraftfahrzeugs. Falls der Ausgangsstrom der Lichtmaschine oder des DCDC-Wandlers auf null fällt, während der Spannungsabfall eintritt, kann davon ausgegangen werden, dass der gesamte Niederspannungsstrom durch die Batterie geliefert wird. Somit kann die Batterieentladungszeit durch Überwachen des Ausgangsstroms der Lichtmaschine oder des DCDC-Wandlers bestimmt werden, und es wird kein gesonderter Batteriestromsensor benötigt.
Falls der Algorithmus zur Überwachung des Ladezustands in Verbindung mit Strategien für das Stromversorgungsmanagement implementiert wird, die den Spannungssollwert periodisch anheben und senken, kann die Überwachung stattfinden, wenn der Sollwert auf diese Weise abgesenkt wird. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn die Batterieladespannung aufgrund einer Ladestrategie hochgefahren wird, falls definierte Bedingungen vorliegen, und die Batterieladespannung wieder auf den definierten Grenzwert heruntergefahren wird, wenn diese definierten Bedingungen nicht mehr vorliegen. Diese definierten Bedingungen können beispielsweise einen hohen Wirkungsgrad der Energieumwandlung des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs oder gute Bedingungen für ein regeneratives Bremsen umfassen.
Falls jedoch solche Änderungen des Spannungssollwerts zu selten oder gar nicht stattfinden, kann der Algorithmus auch periodisch die erforderlichen Spannungsabsenkungen induzieren. In einer Ausführungsform der Erfindung ist daher vorgesehen, dass die Batterieladespannung planmäßig in regelmäßigen Abständen auf den definierten Grenzwert heruntergefahren wird. Es können somit periodische Spannungsabsenkungen von kurzer Dauer eingeplant werden, die allein dem Zweck der regelmäßigen Überwachung des Ladezustands dienen.
Wird mittels des Alarmsignals der Auswerteeinheit ein zu geringer Ladezustand der Batterie erkannt, kann vom Kraftfahrzeug eine Maßnahme zur Veränderung der Batteriesituation eingeleitet werden. Diese Maßnahme beinhaltet insbesondere die Initiierung eines Ladevorgangs der Batterie auf einen maximalen Ladezustand, der möglichst nah bei 100% liegen sollte. Falls der Algorithmus mit einer bevorzugten Ladestrategie kombiniert wird, kann dies bedeuten, den hohen Batteriespannungssollwert beizubehalten, der ansonsten für Betriebsphasen des Fahrzeugs mit sehr hohem Wirkungsgrad oder dem regenerativen Bremsen vorbehalten ist. Falls der Algorithmus dagegen in eine Ladestrategie integriert wird, bei welcher planmäßig in regelmäßigen Intervallen zwischen Erhaltungsladung und Ausgleichsladung gewechselt wird, kann hierzu gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein außerplanmäßiger Wechsel von einer Erhaltungsladung zu einer Ausgleichsladung initiiert werden. Dies erfolgt vorzugsweise so lange, bis die Batterie genügend nachgeladen ist.
Beim Ausgleichsladen wird ein Spannungssollwert verwendet, der ein vollständiges Laden aller Zellen in einem Bleiakkumulator erleichtert. Er ist für gewöhnlich temperaturabhängig und häufig derart definiert, dass die Gasentwicklungsrate unter einem maximalen Konstruktionswert in der Mitte des definierten Temperaturbereichs liegt. Diese temperaturabhängige Ladespannung ist in einer Tabelle mittels der sogenannten z-Kurve abgeregt. Die z-Kurve, die das Ausgleichsladen definiert, kann vom Batteriehersteller erhalten oder durch den Fahrzeughersteller definiert werden, um in einem gegebenen Zielfahrzeug mit einem vorausgesagten Benutzungsprofil gut zu funktionieren. Die z-Kurve definiert die Spannung an den Anschlussklemmen der Batterie.
Erhaltungsladen ist dagegen eine Steuerstrategie für den Spannungssollwert einer Kraftfahrzeugstromversorgung, die den Batteriestrom minimiert und den Batterieladezustand bei oder um einen festen Wert herum aufrecht erhält. Erhaltungsladen kann auf eine von zwei Arten ausgeführt werden: Als eine temperaturabhängige Spannung, die an den Batterieanschlussklemmen definiert ist oder als eine Stromsteuerstrategie, die den Spannungssollwert der Stromversorgung (DCDC-Wandler oder Generator) derart steuert, dass der Batteriestrom null bleibt. Die letztere Ausführung kann Nullstromsteuerung genannt werden, da sie den Spannungssollwert derart steuert, dass der Batteriestrom gleich null ist.
Weil das erfindungsgemäße Verfahren keine Zeiträume erfordert, in denen keine Spannung zur Neukalibrierung in die Batterie eingespeist wird, um Stromintegrationsfehler zu korrigieren, kann es außerdem in Plug-In-Hybrid- und Elektrofahrzeugen angewendet werden, die ans Netz angesteckt werden können und den größten Teil eines Tages laden oder fahren können.
Der Anwendungsbereich der Erfindung kann ferner dahingehend erweitert werden, dass das Verfahren beispielsweise in Flugzeugen, Schiffen und stationären Stromversorgungen (zum Beispiel Haushaltsstromversorgungen) angewendet wird, die Bleibatterien zur Energiespeicherung verwenden. Flugzeuge und Schiffe sind oft entweder zwischen Zielorten in Betrieb, oder stehen auf dem Rollfeld oder sind an Docks vertäut, wo die Batterien durch eine externe Stromquelle geladen werden. Ihre Arbeitszyklen ähneln denen eines Plug-In-Kraftfahrzeugs, indem in ihre Batterien eine kontinuierliche Ladespannung eingespeist wird. Stationäre Haushaltsstromversorgungen, die durch Solar- und Windenergie gespeist werden und Bleibatterien zur Energiespeicherung verwenden, können ähnliche Arbeitszyklen haben.
Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.
Von den Abbildungen zeigt:
1 die Darstellung eines Ersatzschaltbild für das Entladen einer Bleibatterie über eine Last;
2 die Darstellung der Polarisation von ZARC-Elementen beim Entladen durch eine Last;
3 die Darstellung der Polarisation von ZARC-Elementen beim Laden einer Batterie durch eine externe Stromquelle;
4 die Darstellung der Impedanz der Batterie in einem quasi-stabilen Zustand während einer Entladung;
5 die Darstellung eines Thévinen-Ersatzschaltbildes eines vollständigen Batteriemodells;
6a ein Diagramm zur Darstellung der Anschlussspannung über die Zeit während der Steuerung des Spannungssollwerts;
6b ein Diagramm zur Darstellung des Batteriestroms über die Zeit bei hohem Ladezustand der Batterie;
6c ein Diagramm zur Darstellung des Batteriestroms über die Zeit bei niedrigem Ladezustand der Batterie;
7 ein Ablaufschema eines Algorithmus mit periodisch generierten Spannungsabsenkungen;
8 eine schematische Darstellung der Implementierung eines Online-Algorithmus zum Schätzen der Entladungszeit der virtuellen Kapazitäten anhand des gemessenen Fahrzeuglaststroms zu jedem beliebigen Zeitpunkt;
9 die Darstellung einer äquivalenten Schaltung zum Berechnung der Entladezeit; und
10 ein Ablaufschema eines Algorithmus zur Identifizierung eines Ladezustands.
Das dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegende Prinzip des Vergleichens des Ladezustands einer Batterie mit einer kalibrierten Schwelle soll in 1 anhand eines Ersatzschaltbilds für eine Bleibatterie verdeutlicht werden. Das Ersatzschaltbild zeigt eine Batterie 10, die durch eine Last R_L entladen wird. Das Batteriemodell besteht aus einer Spannungsquelle, deren Spannung U_OC der Leerlaufspannung entspricht, wenn die Batterie lange Zeit geruht hat und sich im Gleichgewichtszustand befindet, zwei ZARC-Elementen und einem Reihenwiderstand R_S, der nicht konstant ist, sondern vom Ladezustand und der Temperatur abhängig ist. Die ZARC-Elemente bestehen jeweils aus einem nicht-linearen Widerstand R_Zn, der mit einem Konstantphasenelement parallel geschaltet ist, welches durch einen Kondensator C_Zn approximiert wird. Es kann auch ein Modell mit mehr als zwei ZARC-Elementen verwendet werden, um eine tatsächliche Batteriekennlinie besser zu approximieren, aber das Prinzip hinter der erfindungsgemäßen SOC-Schwellenidentifizierung kann mit ein oder zwei Elementen erläutert werden.
Die ZARC-Elemente stellen Polarisationseffekte in der Batterie dar, die ihr Impedanzspektrum beeinflussen. Bevor die Last von der Batterie getrennt wird, ist die Anschlussspannung die Summe der Leerlaufspannung U_OC, der Spannungen an den ZARC-Elementen und der Spannung an dem Reihenwiderstand R_S. Wenn die Last von der Batterie getrennt wird, gelangt die Batterie allmählich in einen Gleichgewichtszustand, was in dem Modell dadurch simuliert wird, dass sich die virtuellen Kapazitäten C_Z1 und C_Z2 über die nicht-linearen Widerstände R_Z1 und R_Z2 entladen, bis die Leerlaufspannung an dem Anschluss gleich U_OC ist. Die Polarisation der virtuellen Kondensatoren C_Z1 und C_Z2 ist vom Vorzeichen des Stromflusses abhängig. Falls eine Entladung stattfindet, wie es in 2 veranschaulicht ist, haben die Kondensatoren die gleiche Polarität wie die Leerlaufspannungsquelle. Dies bedeutet, dass die positive Seite der Spannungsquelle mit der positiven Seite der Kette von ZARC-Elementen verbunden ist. Infolge dessen ist die Batterieanschlussspannung geringer als die Leerlaufspannung. Die Richtung des Stromflusses ist in 2 mit einem Pfeil 2.1 gekennzeichnet.
Wenn die Batterie durch eine externe Stromquelle geladen wird, wird die Polarisation der ZARC-Elemente umgekehrt. Die negative Seite der Kette von ZARC-Elementen ist mit der positiven Seite der Spannungsquelle U_OC verbunden, und infolge dessen ist die Anschlussspannung höher als die Leerlaufspannung. Die Leerlaufspannung U_OC ist eine Funktion des Ladezustands und der Temperatur. Die Funktion U_OCV(SOC, T) ist mit Bezug auf den Ladezustand nahezu linear und kann durch Prüfstandtests für die Kalibrierung des Algorithmus ermittelt werden.
Falls die Batterie 10 durch eine externe Stromquelle 20 geladen wird, wie zum Beispiel eine Lichtmaschine oder einen DCDC-Wandler, ist die Batterieanschlussspannung signifikant größer als die Leerlaufspannung U_OC, und die ZARC-Elemente werden wie in 3 veranschaulicht polarisiert. Der Spannungssollwert der Lichtmaschine oder des DCDC-Wandlers wird immer so gesteuert, dass eine definierte Spannung an den Batterieanschlüssen anliegt. Das in 3 veranschaulichte vereinfachte Modell enthält keinen Verdrahtungswiderstand zwischen der Batterie 10 und der Stromquelle 20, so dass die Batterieanschlussspannung gleich der Spannung an den elektrischen Lasten U_RL ist. Bei der Analyse sollte der Sollwert der Stromversorgung vorzugsweise mit Bezug auf die Batterieanschlussspannung definiert werden.
Um zu bestimmen, ob der Ladezustand der Batterie oberhalb oder unterhalb eines Grenzwerts für den Ladezustand der Batterie (SOC – State of Charge) liegt, wird der Spannungssollwert der Stromquelle auf eine Spannung abgesenkt, die jenem SOC-Wert und der Batterietemperatur U_OCV(SOC, T) entspricht. Somit gilt:
In dem Moment, nachdem der Spannungssollwert abgesenkt wurde, ist die Summe der tatsächlichen internen Leerlaufspannung U_OC und der Spannungen an den ZARC-Elementen größer als der Sollwert: U_Setpoint = U_RL = U_OCV(SOC, T). (1) U_OC + U_Z1 + U_Z2 > U_RL. (2)
Zum Zeitpunkt unmittelbar nach der Absenkung des Sollwertes muss eine Batterieentladung aufgrund der in Gleichung (2) ausgedrückten Ungleichheit stattfinden. Die in der Batterie gespeicherte Energie, die entladen wird, kann in zwei Kategorien unterteilt werden: die chemische Potentialenergie (deren Menge durch U_OC ausgedrückt wird), die in elektrischen Strom umgewandelt wird, während über Redox-Reaktionen Bleisulfat und Wasser gebildet wird, und die Energie, die in den virtuellen ZARC-Kapazitäten gespeichert ist und durch U_Z1 und U_Z2 gekennzeichnet ist, die Polarisationseffekte darstellen.
Der interne Widerstand der Redox-gestützten chemischen Potenzialenergiequelle an den Batterieanschlüssen ist der gleiche wie die Impedanz der Batterie in einem quasi-stabilen Zustand während einer Entladung. Wie in 4 veranschaulicht, ist er die Summe des Reihenbatteriewiderstands R_S und den (nicht-linearen) ohmschen ZARC-Komponenten R_Z1 und R_Z2. Dabei ist die Richtung des Stromflusses in 4 mit einem Pfeil 4.1 gekennzeichnet.
Der interne Widerstand zwischen dem Energiepuffer, der durch die in den ZARC-Elementen enthaltenen virtuellen Kapazitäten gekennzeichnet ist, und den Batterieanschlüssen enthält nur den Reihenbatteriewiderstand R_S. Dies ist in dem Thévinen-Ersatzstromkreis des vollständigen Batteriemodells in 5 veranschaulicht, wobei hier die Richtung des Stromflusses mit einem Pfeil 5.1 gekennzeichnet ist.
Weil der interne Widerstand des durch die virtuellen Kondensatoren in den ZARC-Elementen dargestellten Energiepuffers kleiner ist als jener der chemischen Potenzialenergie, die durch U_OC gekennzeichnet ist, führt ein Abfall der Spannung an den Batterieanschlüssen auf einen Sollwert, der kleiner als U_OC ist, dazu, dass die virtuellen Kondensatoren vollständig durch die Last R_S entladen werden, bevor Strom über die Redox-Reaktion erzeugt wird. Somit muss die Polarisation der Kondensatoren, wie in 3 veranschaulicht, umgekehrt werden, falls U_OC größer als der Spannungssollwert ist. Wenn das der Fall ist, müssen sie die entgegengesetzte Polarisation annehmen, wie in 2 veranschaulicht, bevor der in die Batterie fließende (Lade-)Strom gemessen wird.
Falls somit der Batterieladestrom gemessen wird, bevor die Kapazitäten vollständig entladen sind, kann davon ausgegangen werden, dass der Entladungsprozess vorzeitig angehalten wurde, weil der Spannungssollwert größer ist als U_OC, was bedeutet, dass der Ladezustand der Batterie unterhalb der Schwelle liegt, die den Sollwert definiert.
Dieses Ladezustandsvergleichsverfahren basiert auf dem Konzept des Bestimmens, ob die Kapazitäten in dem Modell, die Polarisationseffekte darstellen, vollständig entladen und erneut mit einer entgegengesetzten Polarität geladen werden, wenn der Spannungssollwert auf einen Wert abgesenkt wird, der einer Schwelle im Ladezustand entspricht. Dies kann durch Algorithmen mit variierenden Genauigkeitsgraden erreicht werden. In seiner grundlegendsten Form prüft ein Algorithmus, ob die Batterie eine Last ohne Hilfe von der restlichen Stromversorgung (Lichtmaschine oder DCDC-Wandler) unterstützen kann, wenn der Spannungssollwert der Stromversorgung auf einen kalibrierten Wert abgesenkt wird.
Um festzustellen, ob die virtuellen Kapazitäten in den ZARC-Elementen, die Polarisationseffekte darstellen, vollständig entladen und repolarisiert sind, wenn der Spannungssollwert absinkt, kann der Batteriestrom über die Zeit überwacht werden, die benötigt wird, um die Kondensatoren vollständig zu entladen. Falls während dieses Zeitraums nur der Entladestrom von der Batterie gemessen wird, kann davon ausgegangen werden, dass die Kondensatoren ebenfalls vollständig entladen wurden und dass ihre Polarität mit Bezug auf ihre vorherigen Zustände während des Ladens gewechselt hat. Somit wird die geschätzte Entladungszeit verwendet, um die Länge der Spannungsabsenkung und des Überwachungszeitraums zu bestimmen.
Während der Batteriestrom durch eine Reihe konventioneller Mittel mit guter Genauigkeit überwacht werden kann, kann die Genauigkeit der Entladungszeit geringer sein. Dies liegt an Ungenauigkeiten beim Schätzen der Werte der virtuellen Kapazitäten in den ZARC-Elementen, die eine Funktion der Spannung an dem ZARC-Element (in dem ZARC-Element gespeicherte Energie und Batteriestrom), des Ladezustands der Batterie und der Temperatur sind.
Vorzugsweise wird ein Stromüberwachungszeitraum gewählt, der geringfügig länger als die maximal mögliche Entladungszeit ist, um so die Ungenauigkeiten beim Berechnen einer genauen Entladungszeit zu kompensieren und das Verpassen einer Identifizierung einer niedrigen Ladezustandsbedingung zu vermeiden. Nachdem die virtuellen Kapazitäten vollständig entladen wurden, tritt der Stromkreis in eine Übergangsphase ein, die letztendlich damit endet, dass der Entladestrom verschwindet. Solange ein Entladestrom während der gesamten Zeit gemessen wird, die zum Entladen der Kapazitäten benötigt wird, und etwas Entladung in der Übertragungsphase gemessen wird, nachdem die Kapazitäten die Polarisation gewechselt haben, kann davon ausgegangen werden, dass der Ladezustand der Batterie die Schwelle übersteigt.
Die folgenden Bedingungen können durch einen Algorithmus verwendet werden, um die Beziehung zwischen dem Ladezustand einer Batterie und einer Schwelle zu identifizieren:

– Eine vollständige Entladung der kapazitiven Teile der ZARC-Elemente ist eine notwendige Voraussetzung dafür, dass der Ladezustand der Batterie die Schwelle überschreiten kann.
– Das Messen des Batterieentladestroms in der Übergangsphase, nachdem die kapazitiven Elemente entladen wurden, ist eine hinreichende Voraussetzung dafür, dass der Ladezustand der Batterie die Schwelle überschreiten kann.

Das grundlegendste Implementierungskonzept kann vorsehen, einen konstanten Überwachungszeitraum zu wählen, der länger ist als die maximal mögliche Entladungszeit für eine bestimmte Batterie. Der Spannungssollwert wird periodisch für mindestens den Überwachungszeitraum abgesenkt, und der Batteriestrom wird überwacht. Falls nur Entladungsbatteriestrom gemessen wird, existiert eine hinreichende Voraussetzung, um einen Ladezustand zu identifizieren, der größer als die Schwelle ist. Falls die Batterie während dieser Zeit zu laden beginnt, so ist ihr Ladezustand möglicherweise niedriger als die kalibrierte Schwelle. Somit ist die Identifizierung eines niedrigen Ladezustand konservativ: Falsche positive Identifizierungen sind möglich, während falsche negative Identifizierungen, die keine niedrige SOC-Bedingung detektieren, dafür ausgelegt sind, selten vorzukommen.
Die Zustandskurven für die Spannung und den Strom während eines Überwachungszeitraums für Batterien mit einem Ladezustand oberhalb und unterhalb einer kalibrierten Schwelle sind in den 6a, 6b und 6c veranschaulicht. 6a zeigt die Klemmenspannung/Anschlussspannung U_RL aufgetragen über die Zeit t mit einer Steuerung des Spannungssollwerts. 6b zeigt den Batteriestrom I_Batt aufgetragen über die Zeit t bei einem hohen Ladezustand SOC der Batterie (SOC > SOC_Thresh), während 6c den Batteriestrom I_Batt aufgetragen über die Zeit t bei einem niedrigen Ladezustand SOC der Batterie zeigt (SOC < SOC_Thresh). Der Bereich 6.1 in 6a kennzeichnet einen Überwachungszeitraum, während der Bereich 6.2 in 6b eine vollständige Entladung und der Bereich 6.3 in 6c eine unvollständige Entladung kennzeichnen.
In 6a entspricht der Spannungssollwert U_Z der temperaturabhängigen Ausgleichsladespannung, und U_Thresh entspricht der kalibrierten Schwelle SOC_Thresh, wie in Gleichung (1) definiert. Der Batterieladestrom wird als positiv definiert, und der Entladestrom wird als negativ definiert. 6b veranschaulicht den Stromverlauf einer Batterie mit einem Ladezustand, der unterhalb der Schwelle liegt, weil (positiver) Ladestrom während des Überwachungszeitraums gemessen wird. 6c veranschaulicht dagegen den Stromverlauf einer Batterie mit einem Ladezustand, der unterhalb der Schwelle liegt, weil (positiver) Ladestrom während des Überwachungszeitraums gemessen wird.
Um das erfindungsgemäße Ladezustandsvergleichsverfahren auszuführen, ist es notwendig, die Spannung an der Batterie von einer Spannung, die einen Ladestrom (der in die Batterie fließt) garantiert, auf einen Spannungssollwert abzusenken, der eine Funktion der Ladezustandsschwelle ist, die für einen Vergleich verwendet wird. Dafür gibt es wenigstens zwei Möglichkeiten. Eine Möglichkeit besteht darin, den Spannungssollwert periodisch anhand eines Timers abzusenken, und eine weitere Möglichkeit besteht darin, Überwachungszeiträume mit Absenkungen des Spannungssollwertes, die während eines regenerativen Bremsens oder anderen Interaktionen zwischen Fahrzeugsteuerungen und dem Spannungssollwert stattfinden, zu koordinieren.
Der negative Gradient der Spannungsabsenkung von der Ladespannung auf die Spannung, die der Ladezustandsschwelle entspricht, sollte groß genug gewählt werden, damit er nicht den Ladestrom während einer Entladung beschränkt, aber auch kein sichtbares Flackern von Lampen oder hörbare Änderungen bei den Gebläsedrehzahlen im Fahrzeug verursacht. Der positive Gradient, der einer Rückkehr zur Ausgleichsladungsspannung entspricht, ist nur durch Spannungsqualitätserwägungen begrenzt: flackernde Lampen und hörbare Änderungen bei den Gebläsedrehzahlen.
Eine periodische Absenkung des Spannungssollwerts durch einen Timer-basierten Algorithmus ist in 7 veranschaulicht. Nachdem die Stromversorgung des Fahrzeugs im Schritt 7.1 aktiviert ist, wird die temperaturabhängige Ausgleichsladespannung angewendet. Diese Spannung ist in 7 als U_EQ bezeichnet, so dass der Spannungssollwert im Schritt 7.2 auf U_EQ gesetzt wird. Die aktuelle Zeit wird ebenfalls aufgezeichnet und im Schritt 7.3 in dem variablen Zeitstempel SOCMonTimeStamp gespeichert. Wenn die verstrichene Zeit seit der Aufzeichnung des Zeitstempels die kalibrierte Variable SOCMonPeriod übersteigt (Schritt 7.4), beginnt der Batterieüberwachungszeitraum, der durch eine Spannungsabsenkung begleitet wird. Der Hinweisflag (die Variable) SOCMonFlag, die angibt, dass ein Überwachungszeitraum begonnen hat, wird im Schritt 7.5 auf High (= 1) gesetzt, und der Spannungssollwert wird im Schritt 7.6 auf den Wert U_Thresh gesetzt. Dieser Wert U_Thresh entspricht der Ladezustandsschwelle, die in Gleichung (1) beschrieben ist. Außerdem wird der Wert der Variable SOCMonTimeStamp im Schritt 7.7 auf die aktuelle Zeit t zurückgesetzt. Diese Zeit wird als eine Referenz verwendet, um zu bestimmen, wann der Überwachungszeitraum endet und die nächste beginnt.
Sobald die Überprüfung im Schritt 7.8 ergibt, dass die Zeit seit Beginn des Überwachungszeitraums die kalibrierte Schwelle SOCMonWindow übersteigt, wird der Wert des SOCMonFlag auf null zurückgesetzt (Schritt 7.9), und der Spannungssollwert im Schritt 7.10 wird wieder auf die Ausgleichsspannung gesetzt.
Der Überwachungszeitraum kann recht kurz sein, wobei der Wert von SOCMonWindow in typischen Automobilanwendungen kleiner als 20 Sekunden sein kann.
Ein neuer Überwachungszeitraum wird begonnen, wenn die Differenz zwischen der aktuellen Zeit t und dem Wert, der als SOCMonTimeStamp gespeichert ist, wieder den kalibrierten Wert SOCMonPeriod übersteigt. Dieser Wert kann kalibriert werden, um einen Überwachungszeitraum – in Abhängigkeit von der Anwendung – alle paar Stunden oder mehrmals in der Stunde auszulösen. Das variable Hinweisflag SOCMonFlag wird dabei verwendet, um den Batteriestromüberwachungsalgorithmus auszulösen. Wenn es auf High (= 1) gesetzt ist, sollte die Überwachung beginnen und über die geschätzte oder kalibrierte Entladungszeit hinweg beibehalten werden.
Überwachungszeiträume können außerdem mit Änderungen beim Spannungssollwert koordiniert werden, die während des regenerativen Bremsens oder anderer Interaktionen zwischen Fahrzeugbedienelementen und dem Spannungssollwert stattfinden. Falls diese häufig genug stattfinden, kann auf die Erzeugung periodischer Spannungsabsenkungen verzichtet werden. Dabei werden Spannungsabsenkungen, die durch eine Stromversorgungsmanagementstrategie hervorgerufen werden, die regeneratives Bremsen und selektives Laden mit dem hier beschriebenen SOC-Überwachungsalgorithmus implementiert, mit dem erfindungsgemäßen Algorithmus koordiniert.
Um den Batteriestrom nach einer Spannungsabsenkung zu überwachen, können eine direkte Messung oder eine indirekte Überwachung implementiert werden. Die direkte Messung kann durch einen standardmäßigen Hall-Sensor oder Shunt-Meßwiderstand ausgeführt werden. Jedoch können die Kosten des Sensors eingespart werden, indem man den Batteriestrom indirekt über den Ausgangsstrom der Lichtmaschine oder des DCDC-Wandlers, die bzw. der als die primäre Stromquelle fungiert, überwacht.
Der SOC-Identifizierungsalgorithmus erfordert nur, dass das Vorzeichen des Batteriestroms einen Lade- oder Entladezustand anzeigt. Die Größenordnung des Stroms wird nicht verwendet. Unter der Annahme, dass elektrischer Strom zur Versorgung elektrischer Lasten entweder von der primären elektrischen Stromquelle (Lichtmaschine oder DCDC-Wandler) oder der Batterie kommen muss, ist es möglich zu bestimmen, ob die Batterie entlädt, indem man den Ausgangsstrom der primären Stromquelle überwacht. Solange sein Ausgangssignal null ist, muss die Batterie entladen und die elektrischen Lasten unterstützen.
In einem konventionellen Fahrzeug mit einer Lichtmaschine wird beispielsweise eine Batterieentladung angenommen, wenn kein Ausgangsstrom von der Lichtmaschine gemessen wird. In der Praxis erfordern Motorsteuerungsstrategien eine Messung des Lichtmaschinenstroms, um die mechanische Last der Lichtmaschine zu kompensieren. Eine Schätzung des Ausgangsstroms wird durch eine Lichtmaschine in Bezug auf ihren Arbeitszyklus oder absoluten Strom vorgenommen, und beide Arten von Informationen können dafür verwendet werden zu bestimmen, ob die Batterie entlädt. Im Fall von Stromversorgungen, die einen DCDC-Wandler als die primäre Quelle haben, steht ein Ausgangssignal, das den Ausgangsstrom mitteilt, ebenfalls häufig zur Verfügung. Somit kann der erfindungsgemäße SOC-Identifizierungsalgorithmus ohne einen gesonderten Batteriestromsensor durch Überwachung des Stroms von der Lichtmaschine oder dem DCDC-Wandler implementiert werden.
Wie zuvor beschrieben, wird der Batteriestrom überwacht, nachdem eine Spannungsabsenkung eintritt, um zu identifizieren, ob der Ladezustand der Batterie oberhalb oder unterhalb einer kalibrierten Schwelle liegt. Falls die Batterie während der Zeit entlädt, die benötigt wird, um die virtuellen Kondensatoren in den ZARC-Elementen zu entladen, wird ein Ladezustand oberhalb der kalibrierten Schwelle festgestellt. Die Zeit, während der der Batteriestrom überwacht wird, sollte geringfügig länger sein als die geschätzte Entladungszeit der Kondensatoren, um hinreichende Bedingungen zu schaffen, damit der Ladezustand die Schwelle überschreiten kann.
Die Länge dieses Überwachungsfensters kann online berechnet oder als ein fixer Wert kalibriert werden. Eine Online-Berechnung bedeutet hierbei eine fortlaufende Ermittlung und Anpassung des Überwachungsfensters anhand von aktuellen Größen bezüglich des Batteriezustands und Batteriemessungen.
Bei einer Online-Berechnung können die Parametrisierung und die Zustände des Modells online unter Verwendung von Kalman-Filtern oder anderer adaptiver Schätzverfahren aktualisiert werden, um die beste Annäherung des Modells an die tatsächlichen Batteriezustände und -messungen zu erhalten. Das Ersatzschaltbild kann dann zum Schätzen der Entladungszeit der kapazitiven Teile der virtuellen ZARC-Elemente anhand des geschätzten oder gemessenen Fahrzeuglaststroms zu jedem beliebigen Zeitpunkt verwendet werden.
8 veranschaulicht eine Implementierung des Online-Algorithmus zum Schätzen der Entladungszeit der virtuellen Kapazitäten anhand des gemessenen Fahrzeuglaststroms zu jedem beliebigen Zeitpunkt. Es ist anzumerken, dass das durch den Algorithmus verwendete Ersatzschaltbild mit n ZARC-Elementen verallgemeinert ist. Die Werte der ohmschen und kapazitiven Werte der ZARC-Elemente und ihrer zugehörigen Zustände (Spannungen an den ZARC-Elementen) werden kontinuierlich und adaptiv aktualisiert.
Die Eingänge in das Batteriemodell 8.1 sind die gemessene oder geschätzte Batterieanschlussspannung U_Batt, der Strom I_PS, der von der primären Stromversorgung (Lichtmaschine oder DCDC-Wandler) kommt, der Fahrzeuglastgesamtstrom I_F und die Batterietemperatur T_Batt. Der Block 8.2 bestimmt adaptiv die Parametrisierung und die Zustände des Modells und erzeugt Schätzungen für R_Z1 ... R_Zn, C_Z1 ... C_Zn, U_Z1 ... U_Zn und U_OC. Der Entladungszeitberechnungsblock 8.3 nimmt die aktualisierten Werte der ohmschen und kapazitiven Werte der ZARC-Elemente und ihrer Zustände für den Beginn eines Berechnungszyklus zusammen mit der Annahme an, dass die Batterie mit dem gesamten Fahrzeugstrom I_F entladen wird. Dieses Szenario ist in 9 veranschaulicht, wo die Polarität der Kondensatoren einen Ladestrom in die Batterie in dem Moment beschreibt, bevor die Fahrzeuglasten angelegt werden. Der Entladungszeitblock berechnet die Zeit, bis die Polarität wechselt oder bis U_Z1 = ... = U_Zn = 0. (3)
Diese Entladungszeit wird im Schritt 8.4 als der Wert DisTime ausgegeben, wie in 8 veranschaulicht. Wie das Hinweisflag SOCMonFlag, das durch den Algorithmus gesetzt und zurückgesetzt wird, der Spannungsabsenkungen auslöst, wird die Entladungszeit kontinuierlich berechnet und unmittelbar nach einer Spannungsabsenkung in den Identifizierungsalgorithmus, der den Entladestrom überwacht, eingegeben.
Die Entladungszeit kann auch offline unter Verwendung eines Batteriemodells für eine bestimmte Ladezustandsschwelle und einer temperaturabhängigen Ausgleichsladespannung über einen Bereich von Betriebstemperaturen und Lastströmen berechnet werden. Sie kann außerdem an einer konditionierten Batterie während einer Reihe von Prüfstandtests gemessen werden. Die Ergebnisse können auf eine Nachschlagetabelle angewendet werden, welche die Entladungszeit DisTime mit Bezug auf den Fahrzeuglaststrom und die Batterietemperatur definiert.
Eine Lösung, die eine konstante Entladungszeit annimmt, die von Temperatur und Laststrom unabhängig ist, kann ebenfalls implementiert werden. Wie bereits beschrieben, kann der Identifizierungsalgorithmus so gestaltet sein, dass er inhärent konservativ ist, indem man den Überwachungszeitraum so wählt, dass er größer als die tatsächliche Entladungszeit der virtuellen Kondensatoren in den ZARC-Elementen ist. Dadurch kann es zu einer falschen positiven Identifizierung eines Ladezustands unterhalb der Schwelle kommen, aber falsche negative Identifizierungen, die keinen niedrigen Ladezustand detektieren, sind selten. Somit kann eine Minimalimplementierung angewendet werden, die einen konstanten kalibrierten Entladungszeitraum mit der Annahme verwendet, dass eine gelegentliche falsch-positive Identifizierung einer niedrigen Ladezustandsbedingung stattfindet. Die Behebung eines niedrigen Ladezustands besteht gewöhnlich in einem vollständigen Laden einer Batterie, was sich nicht erheblich auf die Fahrzeugleistung auswirkt.
Der erfindungsgemäße Identifizierungsalgorithmus überwacht den Batteriestrom, nachdem ein Abfall der Batteriespannung über einen Überwachungszeitraum eintritt. Falls nur der Entladestrom während des Entladungszeitraums gemessen wird, so wird festgestellt, dass der Ladezustand oberhalb der kalibrierten Schwelle liegt. Falls jedoch kein Batteriestrom oder ein Ladestrom während des Überwachungszeitraums gemessen wird, wird festgestellt, dass der Ladezustand unterhalb der kalibrierten Schwelle liegt, und ein Niedrig-SOC-Flag wird aktiviert. 10 veranschaulicht diesen Ladezustandidentifizierungsalgorithmus.
Der Algorithmus wird im Schritt 10.1 mit der Stromquelle aktiviert, welche die Batterie lädt. Der Identifizierungsprozess beginnt, wenn eine Spannungsabsenkung eintritt, die durch einen Low-zu-High-Übergang des SOCMonFlag festgestellt wird. Das Flag kann periodisch über einen Timer generiert werden, der außerdem den Spannungssollwert steuert, oder es kann durch einen Algorithmus generiert werden, der Änderungen beim Spannungssollwert durch regeneratives Bremsen oder selektive Ladestrategien signalisiert.
Steht das Flag SOCMonFlag auf 1 (Schritt 10.2), beginnt der Identifizierungsprozess und in Schritt 10.3 wird ein Zeitstempel gesetzt. Ferner wird der Batteriestrom I_Batt überwacht. Solange eine Entladung stattfindet, wird festgestellt, dass der Ladezustand der Batterie oberhalb der kalibrierten Schwelle liegt (Schritte 10.4 und 10.5) und das Flag LowSOC wird auf Low gesetzt (Schritt 10.6). Falls jedoch während des Identifizierungsprozesses der Entladestrom auf null fällt oder ein Ladestrom gemessen wird, so wird festgestellt, dass der Ladezustand unterhalb der kalibrierten Schwelle liegt, und das LowSOC-Flag wird auf High gesetzt (Schritt 10.7).
Der Identifizierungsprozess setzt sich durch den gesamten Überwachungszeitraum hindurch fort, der die Summe aus der geschätzten oder kalibrierten Entladungszeit DisTime und dem kalibrierten Parameter DisDelay ist. Ergibt die Überprüfung im Schritt 10.4, dass die vergangene Zeit größer ist als die Summe aus DisTime und DisDelay, wird SOCMonFlag auf Low gesetzt (Schritt 10.8). Die Entladungszeit DisTime kann online berechnet werden, oder kann offline berechnet und als eine Funktion der Ladezustandsschwelle, des Laststroms und der Temperatur definiert werden. In einer Minimalimplementierung kann die Entladungszeit als ein konstanter Wert gewählt werden.
Der Parameter DisDelay repräsentiert einen Zeitraum, der zu der geschätzten oder kalibrierten Entladungszeit addiert wird, um sicherzustellen, dass der Überwachungszeitraum kurz nach der tatsächlichen Entladungszeit endet. Dabei endet der Überwachungszeitraum vorzugsweise kurz nach der tatsächlichen Entladungszeit, um falsche negative Identifizierungen eines tatsächlichen niedrigen Ladezustands auszuschließen. Im Fall einer Minimalimplementierung können die Werte von DisDelay und DisTime auch zu einem einzigen Kalibrierungsparameter kombiniert werden.
Der erfindungsgemäße Algorithmus kann auf das Stromversorgungsmanagement angewendet werden, um eine Problembehebung auszulösen, wenn ein niedriger Ladezustand detektiert wird, oder um definierte Fahrzeugfunktionen zu aktivieren, wenn der Ladezustand eine definierte Schwelle übersteigt. Falls die durch Gleichung (1) eine definierte Ladezustandsschwelle gewählt wird, um zwischen einem leistungsstarken Ladezustand für den Fahrzeugbetrieb und einem niedrigen Ladezustand zu unterscheiden, kann der Algorithmus beispielsweise verwendet werden, um die Problembehebung über das LowSOC-Flag auszulösen. Falls ein niedriger Ladezustand festgestellt wird, sollte der Betrieb der Batterie im Teilladezustand abgebrochen werden. Es sollte eine Ausgleichsladung eingeleitet werden, bis entweder ein kalibrierter Ladezeitraum verstrichen ist oder anschließende Ladezustandsidentifizierungen zeigen, dass der Ladezustand wieder über eine kalibrierte Schwelle angestiegen ist, die höher sein kann als die, die verwendet wird, um einen niedrigen Ladezustand auszulösen, um eine Hysterese in die Problembehebungsstrategie zu integrieren.
Das erfindungsgemäße Ladezustandsvergleichsverfahren kann auch mit mehreren Schwellen implementiert werden, die dafür verwendet werden können, mehrere Betriebsmodi zu aktivieren und zu deaktivieren. Eine Schwelle kann für einen Vergleich während jedes Abfalls der Batteriespannung verwendet werden. Je nach Anwendung kann die Anwendung von Schwellen innerhalb eines Kalibrierungssatzes revolviert werden, oder eine neue Schwelle kann in Abhängigkeit von der Betriebshistorie des Fahrzeugs oder des Stromversorgungssystems angewendet werden.
Beispielsweise kann eine Problembehebung im Fall eines niedrigen Ladezustands bei einem niedrigeren Ladezustand ausgelöst werden als dem, der für einen Stopp-Start-Betrieb benötigt wird. Die Anwendung einer Schwelle für einen niedrigen Ladezustand kann bei jedem zweiten Überwachungsereignis stattfinden, und die Anwendung für das Aktivieren eines Stopp-Start-Betriebes kann während der verbliebenen Zwischenereignisse stattfinden. Falls ein Ladezustand zwischen den zwei Schwellen bestimmt wird, so kann ein Stopp-Start-Betrieb deaktiviert werden, ohne dass eine Niedrig-SOC-Behebung stattfindet.
In einer weiteren Ausführungsform können separate Ladezustandsschwellen für das Aktivieren einer Niedrig-SOC-Behebung, während das Fahrzeug fährt, und für das zeitweilige Deaktivieren einer solchen Behebung eingestellt werden. Dies kann auf ein Plug-In-Hybrid- oder Elektrofahrzeug angewendet werden, um die Reichweite im Elektrofahrbetrieb zu maximieren. In diesem Fall wird die Schwelle zum Detektieren eines niedrigen Ladezustands LowSOCThresh periodisch angewendet, während das Fahrzeug fährt, bis eine Niedrigladezustandsbedingung festgestellt wird. Wenn dies geschieht, wird die Problembehebungsstrategie angewendet. Somit wird die Batterie mit einer temperaturabhängigen Ausgleichsspannung geladen. Während dies während einer Fahrt stattfindet, wird der Ladezustand gelegentlich unter Verwendung einer zweiten, höheren Schwelle DelayMitThresh überwacht. Falls der Ladezustand später als höher als DelayMitThresh identifiziert wird, wird die vollständige Behebung des niedrigen Ladezustands aufgeschoben, bis das Fahrzeug wieder am Netz aufgeladen wird. In diesem Fall kann eine Teil-SOC-Ladestrategie für den Rest der Fahrt fortgeführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1321773 A1 [0011]
EP 1503219 [0011]
US 7355411 [0011]
US 7990111 [0011]

Claims

Verfahren zur Überwachung des Ladezustands einer Batterie eines Kraftfahrzeugs, bei dem der Batteriestrom zu Zeitpunkten ermittelt wird, zu denen die Batterieladespannung auf einen definierten Grenzwert heruntergefahren ist, und der ermittelte Batteriestrom einer Auswerteeinheit übermittelt wird, welche ein Alarmsignal erzeugt, falls mittels des ermittelten Batteriestroms in einem definierten Überwachungszeitraum keine Entladung der Batterie gemessen wird, wobei der Grenzwert für die Batterieladespannung so gewählt ist, dass eine Entladung der Batterie stattfindet, wenn der Ladezustand der Batterie oberhalb einer definierten Schwelle liegt, wobei der Batteriestrom indirekt durch Messen des Ausgangsstroms einer Stromquelle ermittelt wird, mit welcher die Batterie geladen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle ein Generator oder ein DCDC-Wandler des Kraftfahrzeugs ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieladespannung aufgrund einer Ladestrategie hochgefahren wird, falls definierte Bedingungen vorliegen, und die Batterieladespannung auf den definierten Grenzwert heruntergefahren wird, wenn diese definierten Bedingungen nicht mehr vorliegen, wobei der dann ermittelte Batteriestrom der Auswerteeinheit übermittelt wird, welche ein Alarmsignal erzeugt, falls mittels des ermittelten Batteriestroms in einem definierten Überwachungszeitraum keine Entladung der Batterie gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die definierten Bedingungen einen hohen Wirkungsgrad der Energieumwandlung des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs oder gute Bedingungen für ein regeneratives Bremsen umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieladespannung planmäßig in regelmäßigen Abständen auf den definierten Grenzwert heruntergefahren wird, wobei der dann ermittelte Batteriestrom der Auswerteeinheit übermittelt wird, welche ein Alarmsignal erzeugt, falls mittels des ermittelten Batteriestroms in einem definierten Überwachungszeitraum keine Entladung der Batterie gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von einem System des Kraftfahrzeugs eine Maßnahme zur Veränderung der Batteriesituation eingeleitet wird, wenn die Auswerteeinheit ein Alarmsignal erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Maßnahme zur Veränderung der Batteriesituation die Initiierung eines Ladevorgangs der Batterie auf einen maximalen Ladezustand beinhaltet.
Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer Ladestrategie für die Batterie, bei welcher planmäßig in regelmäßigen Intervallen zwischen Erhaltungsladung und Ausgleichsladung gewechselt wird, ein außerplanmäßiger Wechsel von einer Erhaltungsladung zu einer Ausgleichsladung initiiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überwachungszeitraum ein fest definierter Wert ist oder fortlaufend an den aktuellen Zustand der Batterie angepasst wird.