DE102015102177A1

DE102015102177A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen des Ladezustandes eines Akkumulators mittels einer Leerlaufspannungskennlinie des Akkumulators

Info

Publication number: DE102015102177A1
Application number: DE102015102177.3A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Eger; Wolfgang Herdeg; Markus Höppe
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2015-02-16
Filing date: 2015-02-16
Publication date: 2016-08-18
Also published as: US20160238661A1; CN105891718A

Abstract

Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Bestimmen des Ladezustandes eines Akkumulators mittels einer Ruhespannungskennlinie des Akkumulators mit den folgenden Merkmalen bereit: der Akkumulator wird bis zu einem ersten Zeitpunkt (11) durch eine Anwendung beliebig belastet; vom ersten Zeitpunkt (11) bis zu einem zweiten Zeitpunkt (12) wird der Akkumulator mit einem vorgegebenen Entladestrom entladen; vom zweiten Zeitpunkt (12) bis zu einem dritten Zeitpunkt (13) wird der Akkumulator höchstens mit einem durch die Anwendung bedingten Ruhestrom entladen; frühestens zum dritten Zeitpunkt (13) wird eine Ruhespannung des Akkumulators gemessen; und der Ladezustand wird anhand der Ruhespannung mittels der Ruhespannungskennlinie bestimmt. Die Erfindung stellt ferner eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium bereit.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Ladezustandes eines Akkumulators mittels einer Ruhespannungskennlinie des Akkumulators. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium.
Stand der Technik
Der Stand der Technik umfasst unterschiedlichste Akkumulatoren, die fest in einer Anwendung eingebaut sind, beispielsweise in Form einer 12-V-Starterbatterie in einem Kraftfahrzeug. Für einen zuverlässigen Betrieb ist es notwendig, den aktuellen Ladezustand (state of charge, SOC) derartiger bekannter Akkumulatoren möglichst genau zu bestimmen. Dies ist insbesondere bei Nickel-Zink-Akkumulatoren schwierig, da ihre Ruhespannung (open-circuit voltage, OCV) über weite Wertebereiche nur schwach mit dem Ladezustand korreliert. Zudem tritt eine sehr große Hysterese der entsprechenden Kennlinie abhängig davon auf, ob ein Ladevorgang oder ein Entladevorgang vorausgegangen ist.
US 2012/0133369 A1 offenbart vor diesem Hintergrund ein Verfahren zum Schätzen der Kapazität einer Fahrzeugbatterie während des Batteriebetriebs. Dieses Verfahren beinhaltet das Bereitstellen eines vorangegangenen Batterieladezustands, einer Batterietemperatur und integrierter Batteriestromamperestunden und das Bestimmen, ob die Batterieschütze geschlossen waren, nachdem sie geöffnet wurden und von einer Last getrennt wurden. Das Verfahren bestimmt, ob die Batterie für eine Zeitdauer in Ruhe war, die ausreichend ist, bei der die Schütze offen waren, wobei die Batterieruhezeit auf der Batterietemperatur basiert, und eine Anfangsbatteriespannung aus dem letzten Zeitschritt bestimmt, bei der die Batterieschütze geschlossen waren, bevor sie geöffnet wurden während der Batterieruhezeit. Das Verfahren bestimmt einen gegenwärtigen Batterieladezustand aus der ursprünglichen Batteriespannung und der Batterietemperatur und berechnet die Batteriekapazität, basierend auf den batterieintegrierten Stromamperestunden dividiert durch die Differenz zwischen dem gegenwärtigen Batterieladezustand und dem vorhergehenden Batterieladezustand.
US 2003/0214303 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Ladungszustandes einer Blei-Säure-Batterie. Das vorgeschlagene Verfahren umfasst die Schritte, dass ein strombasierter Ladungszustand bestimmt wird, während Faktoren, wie beispielsweise Strom, Temperatur, Ladewirkungsgrad, parasitäre Verluste und Selbstentladung, berücksichtigt werden. Dieser Ansatz zielt darauf ab, die Ruhespannung während und nach einem Betrieb zu messen und/oder zu berechnen, um einen spannungsbasierten Ladungszustand zu bestimmen, während die Ruhespannung bezüglich ihres Übergangsverhaltens kompensiert wird, und die Spannungsverschiebung zu berücksichtigen, die durch Ladungsereignisse bewirkt wird.
EP 0 225 364 B1 wiederum schlägt ein Verfahren zur Überwachung des Ladungszustandes einer Speicherbatterie mit folgenden Schritten vor: Speichern von den Ladungszustand darstellenden Bezugsdaten, Messen der Batteriespannung, der Batterietemperatur, und des die Batterie durchfließenden Stromes zum Bereitstellen einer Anzeige des Ladungszustandes, Integrieren bei eingeschaltetem Lademittel und/oder eingeschalteten bedeutenden Verbrauchern des Messstromes zur Bereitstellung einer Anzeige des Ladungsverlustes nach Messung der Batteriespannung und fortwährendes Schätzen der verfügbaren Restladung aus den gespeicherten Bezugsdaten und dem Ergebnis der Integrierung, wobei die Schätzung der verfügbaren Restladung die folgenden weiteren Schritte umfasst: Messen der Spannung und ihres zeitlichen Verlauf 16s in einem im wesentlichen offenen Schaltkreis, Zuordnung, wenn dieser im wesentlichen offene Zustand für eine längere Zeitdauer andauert, des gemessenen Verlauf 16s der Restspannung zu vorher gespeicherten entsprechenden, für Batterien mit einem bekannten Ladungszustand gemessenen Verläufen, Voraussage aus diesem Verlauf 16 der hier definierten Relaxationsspannung der Batterie zur Bereitstellung der Anzeige des Ladungszustandes durch Vergleich der Relaxationsspannung mit den gespeicherten Bezugsdaten und Korrektur der vorausgesagten Relaxationsspannung durch jede Direktmessung der Relaxationsspannung.
US 2006/0244458 A1 schließlich beschreibt ein Implementierungsverfahren für den Referenzwert der Ladungszustandsalgorithmus-Verifikation in einer Batterie unter Verwendung von Ah-Zählung und OCV-Hysterese.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Bestimmen des Ladezustandes eines Akkumulators mittels einer Ruhespannungskennlinie des Akkumulators, eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
Der vorgeschlagene Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass zwischen Ruhespannungen, die sich während eines Lade- und Entladevorganges einstellen, eine große Spannungsdifferenz besteht, selbst wenn vor diesbezüglichen Messungen eine lange Zeit von etwa 1 h gewartet wird. Demnach ergibt sich eine Hysterese, die es erfordert, die vorhergehende Strombelastung des Akkumulators zu kennen. Die betreffenden Kennlinien nähern sich zwar mit der Zeit immer weiter einander an, jedoch dauert dies sehr lange, mitunter sogar mehrere Stunden bis Tage. Gemäß der Erfindung wird dieser Prozess daher beschleunigt oder zumindest ein definierter Zustand der Batterie eingestellt, der ausgewertet werden kann.
Ein Vorzug dieser Lösung liegt in ihrer weitgehenden Unabhängigkeit von dem Umstand, wie das Lade-/Entladeprofil aussieht, das vor dem Zeitpunkt der Ladezustandsbestimmung vorliegt. Hierzu wird durch gezieltes Entladen sichergestellt, dass sich die Ruhespannung auf einen definierten Wert einschwingt, der in Zusammenhang mit einer zu bestimmenden Kennlinie steht, und reproduzierbar sowie unabhängig von der vorangegangenen Strombelastung ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
1 zeigt eine grafische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
2 zeigt eine OCV-Kennlinienschar mit verschiedenen Lade-/Entladeraten.
Ausführungsformen der Erfindung
1 illustriert den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens 10 anhand eines als Starterbatterie eines Fahrzeuges genutzten Nickel-Zink-Akkumulators, den die vorliegenden Abbildungen aus Gründen der Vereinfachung als solchen nicht wiedergeben. Zur Versorgung des Bordnetzes des Fahrzeuges liefert die aus 1,65-V-Zellen bestehende Starterbatterie bei einer Nennkapazität von beispielsweise 40 Ah eine Gesamtspannung von 12 V. Gattungsgemäße Starterbatterien etwa des Herstellers PowerGenix sind dem Fachmann bekannt und handelsüblich.
Wie der Abbildung zu entnehmen ist, wird die Starterbatterie im betrachteten Anwendungsszenario bis zu einem in 1 markierten ersten Zeitpunkt 11 beliebig belastet, es finden also beliebige Lade- und Entladevorgänge gemäß einem unbekannten Stromprofil 14 der Anwendung statt. Zum ersten Zeitpunkt 11 wird die Anwendung abgeschaltet und die Starterbatterie sodann über eine Entladezeitspanne von wenigen Minuten, beispielsweise zwischen 1 min und 5 min, mit einem definierten konstanten Strom I oder Stromprofil entladen, wobei abbildungsgemäß ein zweiter Zeitpunkt 12 das Ende der Entladezeitspanne markiert. Der Entladestrom I weist dabei über die Entladezeitspanne eine vorgegebene Stärke 15 oder einen vorgegebenen Verlauf 16 auf. Zu diesem Zweck können beispielsweise definierte Stromverbraucher ein- und wieder ausgeschaltet werden. Zu denken ist etwa an Heckscheibenheizung und Sitzheizung des Fahrzeuges.
Zum zweiten Zeitpunkt 12 wird die Entladung beendigt beziehungsweise der Strom I auf einen viel geringeren Restwert, zum Beispiel 40 mA, verringert, der in der Zielanwendung als Ruhestrom eventuell ohnehin ständig fließt. Derart eingestellt wird die Starterbatterie die Anwendung bedingten Ruhestrom I ≅ 40 mA entladen, sodass sich die über eine Relaxationszeitspanne 17 von beispielsweise 1 h höchstens mit diesem durch Ruhespannung hinreichend einschwingt. Erst zu einem dritten Zeitpunkt 13, der das Ende der Relaxationszeitspanne 17 definiert, wird die Ruhespannung der Starterbatterie gemessen.
Abschließend wird der Ladezustand anhand der Ruhespannung mittels einer angepassten Ruhespannungskennlinie bestimmt. Dabei ist zu beachten, dass sich abhängig davon, ob und mit welchem Strom I die Batterie zuvor geladen oder entladen wurde, unterschiedliche Spannungen einstellen, obwohl der Ladezustand ausgehend von der Ah-Zählung theoretisch gleich sein sollte. Die OCV-Kennlinienschar 20 gemäß 2 verdeutlicht diese Eigenschaft.
In 2 sind hierzu mehrere Lade-/Entladekennlinien 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 einer Einzelzelle der Starterbatterie dargestellt. Eine erste Ruhespannungskennlinie 21 stellt sich dabei nach vollständiger und abrupter Aufladung der Starterbatterie mit einem Strom entsprechend 1C ein, während eine zweite Ruhespannungskennlinie 22 resultiert wenn die Starterbatterie mit einem Strom entsprechend C/20 aufgeladen wurde, wobei C jeweils die Nennkapazität der Starterbatterie in Ah darstellt.
Eine dritte Ruhespannungskennlinie 23 wird in einem als Spannungsrelaxationsverfahren (voltage relaxation method, VRM) bekannten Verfahren dadurch erstellt, dass die Starterbatterie beziehungsweise Einzelzelle zunächst bis auf einen Ladezustand von 0 % vollständig entladen wird. Nun wird in möglichst konstanten Intervallen aufgeladen, zum Beispiel in Schritten von 5 % der Nennkapazität, d.h. der jeweilige Strom wird mit jedem Schritt entsprechend erhöht. Nach jedem Schritt wird eine gewisse Zeit, beispielsweise 1 h gewartet, bis sich die Batterie- beziehungsweise Zellspannung stabilisiert hat. Diese Zeit wird auch als Relaxationszeit bezeichnet. Anschließend erfolgt die Messung der Ruhespannung OCV. Der Prozess wird fortgesetzt, bis ein Ladezustand von 100 % erreicht ist. Die Ladezustandsermittlung erfolgt bei dieser Methode vorzugsweise durch präzise Ah-Zählung.
Eine vierte Ruhespannungskennlinie 24 entspricht einem herstellerspezifischen mittleren Belastungsprofil der Starterbatterie. Zur Erstellung der fünften Ruhespannungskennlinie 25 erfolgt die oben für die dritte Ruhespannungskennlinie 23 beschriebene Prozedur ausgehend von einer vollständig aufgeladenen Starterbatterie in umgekehrter Richtung durch schrittweises Entladen. Bei dem der dritten Ruhespannungskennlinie 23 und fünften Ruhespannungskennlinie 25 in 2 zugrunde liegenden Spannungsrelaxationsverfahren beträgt die Relaxationszeit 1 h und der Lade- beziehungsweise Entladestrom 2 A.
Eine sechste Ruhespannungskennlinie 26 resultiert, wenn die Starterbatterie mit einem Strom entsprechend C/20 entladen wurde, wiederum mit C als der Nennkapazität der Starterbatterie in Ah, während eine siebte Ruhespannungskennlinie 27 sich nach vollständiger und abrupter Entladung der Starterbatterie mit einem Strom entsprechend 1C einstellt.
Als besonders geeignet zur Bestimmung des Ladezustandes erweist sich die – die VRM-Entladekurve repräsentierende – fünfte Ruhespannungskennlinie 25, da hierbei bereits Relaxationszeiten eingehalten wurden.
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

US 2012/0133369 A1 [0003]
US 2003/0214303 A1 [0004]
EP 0225364 B1 [0005]
US 2006/0244458 A1 [0006]

Claims

Verfahren (10) zum Bestimmen des Ladezustandes eines Akkumulators mittels einer Ruhespannungskennlinie des Akkumulators, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – bis zu einem ersten Zeitpunkt (11) wird der Akkumulator durch eine Anwendung beliebig belastet, – vom ersten Zeitpunkt (11) bis zu einem zweiten Zeitpunkt (12) wird der Akkumulator mit einem vorgegebenen Entladestrom entladen, – vom zweiten Zeitpunkt (12) bis zu einem dritten Zeitpunkt (13) wird der Akkumulator höchstens mit einem durch die Anwendung bedingten Ruhestrom entladen, – frühestens zum dritten Zeitpunkt (13) wird eine Ruhespannung des Akkumulators gemessen und – der Ladezustand wird anhand der Ruhespannung mittels der Ruhespannungskennlinie bestimmt.
Verfahren (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Akkumulator ein Nickel-Zink-Akkumulator ist.
Verfahren (10) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – der Akkumulator ist eine Starterbatterie eines Fahrzeuges und – die Anwendung umfasst ein Bordnetz des Fahrzeuges.
Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Zeitpunkt (11) und dem zweiten Zeitpunkt (12) eine Entladezeitspanne von wenigen Minuten liegt.
Verfahren (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladestrom einen über die Entladezeitspanne vorgegebenen Verlauf (16) aufweist.
Verfahren (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladestrom eine über die Entladezeitspanne gleichbleibende Stärke (15) aufweist.
Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zweiten Zeitpunkt (12) und dem dritten Zeitpunkt (13) eine Relaxationszeitspanne (17) von mindestens 1 h liegt.
Vorrichtung zum Bestimmen eines Ladezustandes eines Akkumulators mittels einer Ruhespannungskennlinie des Akkumulators, insbesondere in einem Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – Mittel zum beliebigen Belasten eines Akkumulators durch eine Anwendung bis zu einem ersten Zeitpunkt (11), – Mittel zum Entladen des Akkumulators mit einem vorgegebenen Entladestrom vom ersten Zeitpunkt (11) bis zu einem zweiten Zeitpunkt (12), – Mittel zum Reduzieren des Entladestromes auf höchstens einen durch die Anwendung bedingten Ruhestrom vom zweiten Zeitpunkt (12) bis zu einem dritten Zeitpunkt (13), – Mittel zum Messen einer Ruhespannung des Akkumulators frühestens zum dritten Zeitpunkt (13) und – Mittel zum Bestimmen des Ladezustandes anhand der Ruhespannung mittels der Ruhespannungskennlinie.
Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 9.