DE102018219124B4 - Verfahren zum Ermitteln eines Verschleißzustands eines elektrischen Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug sowie Steuervorrichtung zum Durchführen des Verfahrens und Kraftfahrzeug - Google Patents

Verfahren zum Ermitteln eines Verschleißzustands eines elektrischen Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug sowie Steuervorrichtung zum Durchführen des Verfahrens und Kraftfahrzeug Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Verschleißzustands eines elektrischen Energiespeichers (12) in einem Kraftfahrzeug (10), wobei zum jeweiligen Bestimmen des aktuellen Verschleißzustands jeweils ein Messzyklus (16) durchgeführt wird und in jedem Messzyklus (16) jeweils mittels einer vorbestimmten ersten Prüfmethode ein erster Widerstandswert (dU/dI) des Energiespeichers (12) und mittels einer zweiten Prüfmethode ein jeweiliger zweiter Widerstandswert (Ri_AC) des Energiespeichers (12) ermittelt wird. Die Erfindung sieht vor, dass der aktuelle Verschleißzustand auf der Grundlage einer vorbestimmten Verhältnisfunktion (f), welche den ersten Widerstandswert (dU/dI) und den zweiten Widerstandswert (Ri_AC) aus dem jeweiligen Messzyklus (16) in ein Verhältnis setzt, ermittelt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Verschleißzustands eines elektrischen Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug. Als Verschleißzustand wird ein Maß für die Leistungsfähigkeit des Energiespeichers ermittelt, also dessen Vermögen, elektrische Leistung zu liefern. Die Erfindung sieht auch eine Steuervorrichtung vor, um in einem Kraftfahrzeug das Verfahren durchzuführen. Schließlich umfasst die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Steuervorrichtung.
  • Um in einem Kraftfahrzeug einen fehlerfreien und sicheren Betrieb von dessen elektrischen Bordnetz oder Energienetz sicherstellen zu können, spielt unter anderem die korrekte Bestimmung der Leistungsfähigkeit der Bordnetzbatterie (elektrische Spannung kleiner als 60 Volt) beziehungsweise der Traktionsbatterie (elektrische Spannung größer als 60 Volt) eine wichtige Rolle, um eine aussagekräftige Batteriezustandserkennung (BZE) bereitzustellen. Die Leistungsfähigkeit eines elektrischen Energiespeichers wird maßgeblich von dessen Innenwiderstand bestimmt. Es besteht somit die Notwendigkeit, einen Widerstandswert für den Parameter des Innenwiderstands und seinen zeitlichen Verlauf zu bestimmen, um auf ein kritisches Absinken der Leistungsfähigkeit des elektrischen Energiespeichers, das heißt insbesondere ein Absinken unter einen vorbestimmten Schwellenwert, reagieren zu können. In einem Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor kann die Leistungsfähigkeit direkt während eines Betriebs eines Ritzelstarts beobachtet werden, während welchem eine Belastung von mehr als 500 Ampere an elektrischem Strom fließen kann.
  • Diese Bewertung der Leistungsfähigkeit zur Erkennung der Leistungsfähigkeit des elektrischen Energiespeichers erfordert aber den besagten betragsmäßig großen Batteriestrom, der zudem eine hohe Dynamik aufweisen muss. Ein Stromprofil dieser Form ergibt sich im regulären Betrieb eines Kraftfahrzeuges in der Regel nur in einem Extremfall, wie beispielsweise bei Vorhandensein eines Verbrennungsmotors mit konventionellem Ritzelstarter. In Kraftfahrzeugen, die von dieser Fahrzeugarchitektur abweichen, sind solche Umgebungsbedingungen nicht gegeben. Eine schleichende Batteriealterung, beispielsweise in Form einer Innenwiderstandserhöhung, kann folglich über die beschriebene Methodik nicht zuverlässig erkannt werden.
  • Methoden zur Erkennung oder Messung eines Innenwiederstands eines elektrischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs sind beispielsweise aus der US 2012/0032681 A1 , US 2015/0177332 A1 , DE 10 2011 003 690 A1 und der DE 10 2012 209 646 A1 bekannt. Die bekannten Verfahren messen ein Verhältnis aus Spannung zu Strom und bewerten den Verschleißzustand oder die Leistungsfähigkeit des Energiespeichers auf Grundlage des ermittelten Widerstandswerts für den Innenwiderstand.
  • Es hat sich aber gezeigt, dass die alleinige Auswertung des Innenwiderstands nicht alle Verschleißeffekte oder Alterungseffekte wiederspiegelt. Aus der TWI 579575 B ist hierzu bekannt, sowohl einen Gleichspannungs-Widerstandswert als auch einen Wechselspannungs-Widerstandswert zu ermitteln und auf Grundlage dieser beiden Werte den aktuellen Verschleißzustand oder den so genannten SOH (state of health) zu ermitteln. Die Interpretation zweier unterschiedlicher Widerstandswerte erfordert allerdings viel Erfahrung, um z.B. erkennen zu können, ab wann die Leistungsfähigkeit des Energiespeichers unter den besagten Schwellenwert gesunken ist.
  • Aus der DE 103 37 064 B4 ist ein Verfahren zum Ermitteln eines Wechselspannungs-Widerstandswerts bekannt, das im Rahmen der im Folgenden beschriebenen Erfindung genutzt werden kann.
  • Aus der DE 10 2016 107 528 A1 ist ein Verfahren bekannt, mittels welchem ein Zustand, insbesondere ein Alterungszustand, und/oder ein Wert einer elektrochemischen Speichereinheit, die in wenigstens einer speicherspezifischen Anwendung verwendet wird, bewertet wird.
  • Aus der EP 1 892 536 B1 ist ein System bekannt, mittels welchem der Zustand einer in einem Fahrzeug eingesetzten Batterie, an die wenigstens einen elektrischen Verbraucher umfassende elektrische Elemente angeschlossen sind, überwacht wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verschleißzustand oder entsprechend eine Leistungsfähigkeit eines elektrischen Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug während eines Betriebs des Kraftfahrzeugs zu überwachen.
  • Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
  • Durch die Erfindung ist ein Verfahren zum Ermitteln einer Leistungsfähigkeit oder eines Verschleißzustands eines elektrischen Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug bereitgestellt. Zum jeweiligen Bestimmen des aktuellen Verschleißzustands oder der aktuellen Leistungsfähigkeit wird jeweils ein Messzyklus durchgeführt. In jedem Messzyklus wird jeweils mittels einer vorbestimmten ersten Prüfmethode ein erster Widerstandswert des Energiespeichers und mittels einer zweiten Prüfmethode ein jeweiliger zweiter Widerstandswert des Energiespeichers ermittelt, wobei der zweite Widerstandswert einem AC-Widerstandswert entspricht. Es werden also in jedem Messzyklus zwei unterschiedliche Widerstandswerte ermittelt.
  • Um dann zu jedem Messzyklus den jeweiligen aktuellen Verschleißzustand oder die jeweilige aktuelle Leistungsfähigkeit zu bewerten oder zu quantifizieren, ist nun erfindungsgemäß vorgesehen, dass diese auf der der Grundlage einer vorbestimmten Verhältnisfunktion ermittelt wird, welche den ersten Widerstandswert und den zweiten Widerstandswert in ein Verhältnis oder in eine Relation setzt. Mit anderen Worten wird als eine Orientierungsgröße oder Kenngröße für die Leistungsfähigkeit oder den Verschleißzustand nicht der absolute erste Widerstandswert und/oder der absolute zweite Widerstandswert betrachtet, sondern als Kenngröße wird mittels der Verhältnisfunktion ein Verhältnis aus dem ersten Widerstandswert und dem zweiten Widerstandswert berechnet. Es kann beispielsweise ein Quotient oder ein Größenvergleich der beiden Widerstandswerte durchgeführt werden.
  • Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass keine Interpretation absoluter Widerstandswerte notwendig ist, um einen Verschleißzustand oder eine veränderte Leistungsfähigkeit des Energiespeichers zu erkennen. Vielmehr kann anhand einer Veränderung des ermittelten Verhältnisses, wie es auf Grundlager der Verhältnisfunktion berechnet wird, bereits eine Veränderung oder ein Verschleiß des Energiespeichers erkannt werden, unabhängig davon, welche Anfangswerte oder Ausgangswerte sich bei unverschlissenem Energiespeicher anfangs oder zunächst ergeben haben.
  • Das Verfahren kann für unterschiedliche Arten von Energiespeichern für Kraftfahrzeuge durchgeführt werden. Insbesondere handelt es sich bei dem Energiespeicher um einen elektrochemischen Akkumulator, beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie. Das Verfahren eignet sich für die Bewertung einer Hochvolt-Batterie, also einer Batterie mit einer Batteriespannung von mehr als 60 Volt, wie sie beispielsweise als Traktionsbatterie vorgesehen sein kann. Das Verfahren eignet sich zum Bewerten einer Bordnetzbatterie, wie sie für ein Mittelvoltbordnetz oder ein Niedervoltbordnetz vorgesehen sein kann, also eine Batterie mit einer Batteriespannung von weniger als 60 Volt oder gleich 60 Volt.
  • Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
  • In einer Ausführungsform umfasst die besagte erste Prüfmethode, dass in einer vorbestimmten Lastphase, während welcher an Anschlusspolen des Energiespeichers im Vergleich zu einer vorbestimmten Ruhespannung eine Spannungsänderung dU und im Vergleich zu einem vorbestimmten Ruhestrom eine Stromänderung dl vorliegt, ein Innenwiderstandswert dU/dl oder ein dazu korrespondierender Wert als erster Widerstandswert ermittelt wird. Dieser Widerstandswert entspricht einem Gleichstrom-Widerstandswert oder DC-Widerstandswert (DC - durating current, Gleichstrom). Bei der Ruhespannung kann es sich beispielsweise um eine elektrische Spannung handeln, wie sie durch den Energiespeicher im so genannten Leerlauf (keine Last angeschlossen) oder im geparkten Zustand des Kraftfahrzeugs, wenn dieses ausgeschaltet ist, ergibt. Die Stromänderung kann ebenfalls bezüglich 0 Ampere als Ruhestrom gemessen sein oder die Stromänderung kann im Vergleich zu einem Ruhestrom, wie er sich im geparkten Zustand des Kraftfahrzeugs ergibt, definiert sein. Ein solcher Ruhestrom kann weniger als 0,5 Ampere betragen. Die Anschlusspole des Energiespeichers sind im Falle einer Batterie die Batteriepole. Der Innenwiderstandswert dU/dl lässt sich in vorteilhafter Weise besonders genau bestimmen.
  • In einer Ausführungsform umfasst die besagte zweite Prüfmethode, dass bei einem zeitlichen Verlauf einer von dem Energiespeicher erzeugten oder an dem Energiespeicher anliegenden elektrischen Spannung und bei einem zeitlichen Verlauf eines abgegebenen oder aufgenommenen elektrischen Stroms ein jeweiliger Gleichanteil des jeweiligen Verlaufs subtrahiert wird und auf der Grundlage der verbleibenden Wechselanteile der beiden zeitlichen Verläufe (zeitlicher Verlauf für Spannung und zeitlicher Verlauf für Strom) eine Innenimpedanz für Frequenzen größer als Null als zweiter Widerstandswert ermittelt wird. Der Gleichanteil kann beispielsweise als gleitender Mittelwert berechnet werden oder mittels einer Fenstermethode, die den Mittelwert innerhalb eines vorbestimmten gleitenden Zeitfensters vorbestimmter Länge bestimmt. Diese Berechnung des zweiten Widerstandswerts entspricht derjenigen aus der eingangs genannten Druckschrift DE 103 37 064 B4 . Für die Implementierung der zweiten Prüfmethode in dieser Ausführungsform wird hier auf diese Druckschrift verwiesen. Die Verwendung dieser zweiten Prüfmethode ergibt den Vorteil, dass im laufenden Betrieb des Kraftfahrzeugs der zweite Widerstandswert gemessen werden kann.
  • In einer Ausführungsform wird der jeweilige Messzyklus im Anschluss an eine vorbestimmte Ruhephase des Kraftfahrzeugs durchgeführt. Während dieser Ruhephase weist der Energiespeicher einen vorbestimmten unbelasteter Betriebszustand auf. Beispielsweise kann die Ruhephase eine Parkphase des Kraftfahrzeugs sein, während welcher das Kraftfahrzeug abgeschaltet ist. Der unbelastete Betriebszustand entspricht somit der Summe der Stand-by-Ströme oder Ruheströme der Steuergeräte im Kraftfahrzeug. Ein resultierender Ruhestrom des Energiespeichers beträgt in der Ruhephase insbesondere weniger als 0,5 Ampere. Das Beginnen eines Messzyklus im Anschluss an eine Ruhephase weist den Vorteil auf, dass ein Einfluss einer vorausgegangenen Lastphase ausgeschlossen ist, beispielsweise ein Einfluss durch eine Erwärmung von Elektroden und/oder eine Ladungsverschiebung in einem Elektrolyt.
  • In einer Ausführungsform wird zumindest die erste Prüfmethode während eines Starts des Kraftfahrzeugs durchgeführt. Mit Start ist hierbei nicht der Start eines Verbrennungsmotors und damit der Betrieb eines Ritzelstarters gemeint, sondern das Einschalten des Kraftfahrzeugs, sodass Steuergeräte im Kraftfahrzeug aus einem Schlaf-Modus oder Stand-by-Modus in einen Betriebsmodus wechseln. Da die Anzahl der Steuergeräte im Kraftfahrzeug bekannt ist und/oder unverändert bleibt, ergibt sich beim Start des Kraftfahrzeugs eine rekonstruierbare Lastphase für den Energiespeicher, also eine vorbekannte Stromstärke, sodass alle Messzyklen unter gleichen Messbedingungen durchgeführt werden können.
  • In einer Ausführungsform wird zumindest die zweite Prüfmethode während eines Betriebs zumindest eines Stromrichters des Kraftfahrzeugs durchgeführt. Hierbei ist insbesondere jeweils ein aktiver oder geschalteter Stromrichter gemeint, der also das Schalten von Schaltelementen, insbesondere Halbleiter-Leistungsschaltern, wie z.B. Transistoren, vorsieht. Beispielsweise kann die zweite Prüfmethode während einer Ladephase, während welcher ein elektrisches Ladegerät elektrische Energie in den Energiespeicher transferiert, durchgeführt werden. Dabei kann dann ein Stromrichter und/oder ein DC-DC-Wandler in Betrieb sein. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die zweite Prüfmethode während eines Betriebs einer elektrischen Maschine des Kraftfahrzeugs durchgeführt werden, wenn ein Wechselrichter für die elektrische Maschine in Betrieb ist. Der Betrieb zumindest eines Stromrichters weist den Vorteil auf, dass durch dessen Schaltphasen oder Schaltvorgänge ein Wechselspannungsanteil in dem Spannungsverlauf und dem Stromverlauf des Energiespeichers verursacht wird.
  • In einer Ausführungsform werden mehrere Messzyklen durchgeführt, das heißt zu mehreren unterschiedlichen Messphasen wird jeweils ein Messzyklus durchgeführt. Anhand der in dem jeweiligen Messzyklus ermittelten Widerstandswerte (erster und zweiter Widerstandswert) wird ein jeweiliger zeitlicher Verlauf des ersten Widerstandswerts und ein zeitlicher Verlauf des zweiten Widerstandswerts ermittelt. Mit anderen Worten wird also die Veränderung oder Entwicklung des jeweiligen Widerstandswerts über der Zeit protokolliert oder ermittelt. Der Verschleißzustand oder die Leistungsfähigkeit wird dann zusätzlich auf der Grundlage einer vorbestimmten Trendfunktion ermittelt, welche einen vorbestimmten zeitlichen Trend des jeweiligen Verlaufs zumindest eines der Widerstandswerte bewertet. Mit anderen Worten wird z.B. überprüft, in welchem Maß oder mit welchem Gradienten sich der ersten Widerstandswert und/oder der zweite Widerstandswert mit der Zeit verändern. Die Trendfunktion kann beispielsweise eine zeitliche Ableitung des jeweiligen zeitlichen Verlaufs vorsehen und/oder ein relative und/oder absolute Veränderung beschreiben. Der zeitliche Trend kann entsprechend der Gradient oder die Steigung des Verlaufs sein, beispielsweise als Steigung einer Tangente des Verlaufs im fraglichen Zeitpunkt, oder ein Deltawert. Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Verschleißzustand auch daran erkannt werden kann, wie schnell oder mit welcher Rate sich der erste Widerstandswert und/oder der zweite Widerstandswert verändert. Es kann z.B. ein Schwellenwertvergleich für den zeitlichen Trend, also z.B. den Gradienten und/oder die Rate vorgesehen sein, um einen vorbestimmten Grad an Verschleiß zu erkennen.
  • In einer Ausführungsform wird vor und/oder während des jeweiligen Messzyklus eine Temperatur des Energiespeichers ermittelt. Der in dem jeweiligen Messzyklus ermittelte erste und/oder zweite Widerstandswert wird dann mittels einer vorbestimmten Normierungsfunktion auf eine vorbestimmte Normtemperatur normiert. Mit anderen Worten wird ermittelt, welche Temperatur der Energiespeicher aufweist, wie sie beispielsweise durch eine Umgebungstemperatur und/oder einer vorangegangenen Lastphase verursacht sein kann. Da der erste Widerstandswert und/oder der zweite Widerstandswert sich bei einem Energiespeicher auch in Abhängigkeit von der Temperatur verändern können, ohne dass hierbei der Verschleiß verändert ist, kann es zu einer Verfälschung der Interpretation der Widerstandswerte kommen. Um dies zu vermeiden, wird zunächst derjenige Anteil des ersten und/oder zweiten Widerstandswerts kompensiert, der sich aufgrund einer Abweichung von der vorgegebenen Normtemperatur ergibt. Die Normtemperatur kann in einem Temperaturbereich von 10 Grad Celsius bis 70 Grad Celsius liegen. Es kann als Normtemperatur eine Soll-Betriebstemperatur zugrunde gelegt werden, wie sie für die jeweilige Technologie des Energiespeichers (beispielsweise Lithium-Ionen-Technologie) aus einem Fachbuch entnommen werden kann. Wird also der erste Widerstandswert und/oder der zweite Widerstandswert in einem Messzyklus ermittelt und zu dem Messzyklus auch die Temperatur gemessen, so kann mittels der Normierungsfunktion ermittelt werden, welcher erste und/oder zweite Widerstandswert sich ergeben würde, wenn der Energiespeicher anstelle der gemessenen Temperatur die Normtemperatur aufweisen würde. Eine solche Normierungsfunktion kann beispielsweise auf der Grundlage von Versuchen ermittelt werden. Die Normierungsfunktion kann dann beispielsweise als Tabelle oder Kennlinie gespeichert sein.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann durch eine Steuervorrichtung des Kraftfahrzeugs durchgeführt werden.
  • Um das erfindungsgemäße Verfahren in einem Kraftfahrzeug durchführen zu können, ist durch die Erfindung entsprechend auch eine Steuervorrichtung für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt. Die Steuervorrichtung weist eine Prozessoreinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller aufweisen. Die Prozessoreinrichtung kann einen Programmcode oder eine Software mit Programminstruktionen aufweisen, die dazu eingerichtet sind, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Der Programmcode oder die Software kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein. Die Steuervorrichtung kann als ein Steuergerät oder als ein integraler Bestandteil des Energiespeichers ausgestaltet sein.
  • Zu der Erfindung gehört schließlich auch ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher, wobei das Kraftfahrzeug auch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung aufweist. Als elektrischer Energiespeicher kann insbesondere ein elektrochemischer Energiespeicher, also z.B. eine Lithium-Ionen-Batterie, vorgesehen sein. Der Energiespeicher kann als Hochvoltbatterie oder Traktionsbatterie mit einer Batteriespannung größer als 60 Volt ausgelegt sein. Der Energiespeicher kann alternativ dazu als Mittelvolt-Energiespeicher oder Niedervolt-Energiespeicher ausgestaltet sein, das heißt eine Batteriespannung kann kleiner als oder gleich 60 Volt sein.
  • Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus ausgestaltet.
  • Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
  • Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs;
    • 2 ein Diagramm mit zeitlichen Verläufen einer Spannung U und einer Stromstärke I über der Zeit t, wie sie während eines Messzyklus auftreten können; und
    • 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung, wie anhand mehrerer Messzyklen eine Veränderung eines Verhältnisses aus einem ersten Widerstandswert und einem zweiten Widerstandswert zur Ermittlung eines Verschleißzustands oder einer Leistungsfähigkeit eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs genutzt werden können, wie es gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein kann.
  • Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
  • 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 10, bei dem es sich um einen Kraftwagen, insbesondere um einen Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, handeln kann. Das Kraftfahrzeug 10 kann ein elektrisches Bordnetz oder Energienetz 11 aufweisen, in welchem ein Energiespeicher 12 eine elektrische Spannung U und einen elektrischen Strom I bereitstellen oder erzeugen kann. Über das Energienetz 11 kann zumindest ein elektrischer Verbraucher 13 betrieben oder mit elektrischer Energie versorgt werden.
  • In dem Kraftfahrzeug 10 kann eine Steuervorrichtung 14 bereitgestellt sein, die eine Angabe 15 betreffend einen Verschleißzustand oder eine Leistungsfähigkeit des Energiespeichers 12 erzeugen kann. Die Angabe 15 kann den Verschleißzustand oder die Leistungsfähigkeit als einen Verschleißwert oder Leistungsfähigkeitswert quantifizieren und/oder eine Aussage oder ein Signal darüber enthalten, ob die Leistungsfähigkeit oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts liegt oder darunter. Die Steuervorrichtung 14 kann beispielsweise als ein Steuergerät des Kraftfahrzeugs ausgestaltet sein. Die Steuervorrichtung 14 kann auch ganz oder teilweise in den Energiespeicher 12 integriert sein, z.B. auf der Grundlage eines Batteriemanagementsystems des Energiespeichers 12. Der Energiespeicher 12 kann beispielsweise ein elektrischer Akkumulator, beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie, sein. Zum Ermitteln der Angabe 15 kann die Steuervorrichtung 14 zu widerholt durchgeführten Messzyklen 16 jeweils Messwerte 17 betreffend die Spannung U, den Strom I und bevorzugt auch eine Temperatur T des Energiespeichers 12 erfassen.
  • 2 veranschaulicht, wie für einen einzelnen Messzyklus 16 aus den Messwerten 17 für Spannung U und Strom I zum einen ein DC-Widerstandswert dU/dl und zum anderen ein AC-Widerstandswert Ri_AC ermittelt werden kann. Der jeweilige Messzyklus 16 kann im Anschluss an eine Ruhephase 18 durchgeführt werden. In der Ruhephase 18 kann der Energiespeicher 12 unbelastet sein, das heißt es ergeben sich eine Ruhespannung U0 und ein Ruhestrom 10. Die Ruhephase 18 kann beispielsweise im ausgeschalteten Zustand des Kraftfahrzeugs 10 gegeben sein. In der Ruhephase 18 kann auch ein Wert für die Temperatur T gemessen werden. Im Anschluss an die Ruhephase 18 kann eine Lastphase 19 vorgesehen sein, wie sie sich beispielsweise beim Einschalten des Kraftfahrzeugs ergibt, wenn Steuergeräte des Kraftfahrzeugs aus einem Schlaf-Modus in einen Betriebsmodus wechseln. Es ergibt sich dann bezüglich der Ruhespannung U0 eine Spannungsänderung dU und bezüglich des Ruhestroms I0 eine Stromänderung dl. Aus dieser ersten Prüfmethode kann als ein erster Widerstandswert das Verhältnis dU/dl berechnet werden, welches dem DC-Widerstandswert entspricht.
  • In einem weiteren Betrieb des Kraftfahrzeugs 10 kann sich dann eine Betriebsphase 19' mit einem Spannungsrippel 20 und einem Stromrippel 21 ergeben, wie es sich beispielsweise beim Betrieb zumindest eines Stromrichters in dem Kraftfahrzeug 10 ergeben kann. Ein Stromrichter kann zu einem Verbraucher 13 gehören, beispielsweise für den Betrieb einer elektrischen Maschine des Kraftfahrzeugs 10, oder zu einem Ladegerät für den Energiespeicher 12. Es kann ein jeweiliger Gleichanteil 22 der Spannung U und ein Gleichanteil 23 des Stroms I im jeweiligen zeitlichen Verlauf 24 ermittelt werden und der jeweilige Gleichanteil 22, 23 vom zeitlichen Verlauf 24, 25 subtrahiert werden. Es ergeben sich hierdurch ein verbleibender Wechselanteil 26 des Verlaufs 24 der Spannung U und ein verbleibender Wechselanteil 27 des Verlaufs 25 des Stroms I. Aus den Wechselanteilen 26, 27 kann ein zweiter Widerstandswert Ri_AC ermittelt werden, welcher einem AC-Widerstandswert entspricht. Hierzu kann als zweite Prüfmethode das in der eingangs beschriebenen Druckschrift beschriebene Verfahren zugrunde gelegt werden.
  • 3 zeigt, wie aus mehreren Messzyklen 16 ein zeitlicher Verlauf 28 für den ersten Widerstandswert dU/dl und ein zeitlicher Verlauf 29 für den zweiten Widerstandswert Ri_AC ermittelt oder protokolliert werden kann. Die einzelnen Messzyklen 16 sind durch einen Indexwert n voneinander unterschieden, wobei 3 Messzyklen mit Indexwerten n=0, n=1, n=2, n=3 und allgemein ein Messzyklus n dargestellt sind.
  • Für jeden Messzyklus n kann jeweils der erste Widerstandswert dU/dl und der zweite Widerstandswert Ri_AC ermittelt werden, was in 3 jeweils durch die Angabe des Indexwerts (n) veranschaulicht ist. Zusätzlich kann für jeden Messzyklus auch ein Temperaturwert der Temperatur T ermittelt werden.
  • 3 veranschaulicht in einem Diagramm, wie für mehrere Messzyklen n sich der ersten Widerstandswert dU/dl und der zweite Widerstandswert Ri_AC mit der Zeit t verändern, wodurch sich die Verläufe 28, 29 ergeben. Um die Werte vergleichbar zu machen, kann jeweils auf Grundlage der gemessenen Temperatur T eine Normierung auf eine vorbestimmte Normtemperatur T0 vorgesehen sein.
  • Das Diagramm von 3 veranschaulicht, dass sich insbesondere das Verhältnis aus den Widerstandswerten dU/dl und Ri_AC mit der Zeit t ändert. Grund dafür ist ein fortschreitender Verschleiß oder eine sinkende Leistungsfähigkeit. Um die Leistungsfähigkeit auszudrücken, kann für einen Messzyklus n ein Leistungsfähigkeitswert L(n) berechnet werden, der jeweils als eine Verhältnisfunktion f aus einem Absolutwert 30 der ersten Widerstandswerts dU/dl und einem Absolutwert 31 des zweiten Widerstandswerts Ri_AC berechnet werden kann. Es kann beispielsweise ein Quotient aus den beiden Widerstandswerten vorgesehen sein oder die Aussage, welcher Absolutwert 30, 31 größer ist.
  • Optional kann die Verhältnisfunktion f auch einen aktuellen Gradienten oder eine aktuelle Steigung oder allgemein einen aktuellen zeitlichen Trend 32 zumindest eines der Verläufe 28, 29 berücksichtigen.
  • Der Leistungsfähigkeitswert L(n) beschreibt die Leistungsfähigkeit oder korrespondierend oder entsprechend den Verschleißzustand, denn mit zunehmendem Verschleiß sinkt entsprechend die Leistungsfähigkeit. Der Leistungsfähigkeitswert L(n) kann nun als die besagte Angabe 15 ausgegeben werden oder es kann als Angabe 15 zusätzlich oder alternativ dazu das Ergebnis eines Vergleichs des Leistungsfähigkeitswerts L(n) mit einem Schwellenwert L0 angegeben werden, d.h. die Angabe 15 kann das Ergebnis der Vergleichs enthalten oder angeben, z.B. als Aussage „in Ordnung“ oder „nicht in Ordnung“.
  • Um also den Alterungszustand und somit die Leistungsfähigkeit des elektrischen Energiespeichers 12 bewerten zu können, werden bevorzugt zwei unabhängige Prüfmethoden herangezogen. Zum einen handelt es sich um die Bewertung der zeitlichen Entwicklung des Spannungs-Strom-Quotienten dU/dl als erster Widerstandswert und zum anderen um die Bewertung der zeitlichen Entwicklung des Wechselstrominnenwiderstandes Ri_AC. Anhand der Korrelation oder des Verhältnisses dieser beiden unabhängig voneinander bestimmten Alterungsindikatoren kann letztlich der Alterungszustand, sprich die Leitungsfähigkeit des elektrischen Energiespeichers, bewertet werden.
  • Die Bewertung des Alterungszustandes und somit der Leistungsfähigkeit eines elektrischen Energiespeichers erfolgt somit in vorteilhafter Weise mit Hilfe bereits bestehender Prüfmethoden, auch ohne Vorhandensein eines Verbrennungsmotors mit konventionellem Ritzelstarters im Kraftfahrzeug. Es sind Messströme kleiner als 100 A ausreichend.
  • In einem ersten Schritt S10 kann die Ruhespannung (z.B. die Leerlaufspannung - Open Circuit Voltage) sowie die aktuelle Temperatur des unbelasteten Energiespeichers ermittelt werden. Durch die anschließende Strombelastung (dI) des elektrischen Energiespeichers in einem zweiten Schritt S11, aufgrund einer definierter Bordnetzlast, resultiert eine innenwiderstandsabhängige Spannungsänderung (dU). Sowohl Strom- als auch Spannungsänderung dl und dU können gemessen und ins Verhältnis zueinander gesetzt werden. Durch die Vorgabe einer konstanten Ladespannung z.B. durch ein elektrische Energiemanagement kann in einem Schritt S12 der zweite Widerstandswert Ri_AC mit Hilfe des überlagerten Wechselanteils von Batteriespannung und Batteriestrom ermittelt werden.
  • Um die zeitliche Entwicklung dieser beiden ermittelten Alterungsindikatoren des elektrischen Energiespeichers (Quotient aus dU und dl, sowie Ri_AC) darzustellen und somit bewerten zu können, können die beiden Größen in einer Messreihe hinterlegt werden (siehe 3). Anhand der Korrelation oder des Verhältnisses aus dU/dl und Ri_AC, über den zeitlichen Verlauf, in Abhängigkeit der Temperatur, kann der Alterungszustand und somit die Leistungsfähigkeit des elektrischen Energiespeichers bewertet werden.
  • Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Bewertung eines Alterungszustands einer Bordnetz- und/oder Traktionsbatterie in einem Kraftfahrzeug anhand einer Verhältnisbetrachtung oder Korrelation durchgeführt werden kann.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Ermitteln eines Verschleißzustands eines elektrischen Energiespeichers (12) in einem Kraftfahrzeug (10), wobei zumindest ein Messzyklus (16) zum jeweiligen Bestimmen des aktuellen Verschleißzustands durchgeführt wird und in jedem Messzyklus (16) jeweils mittels einer vorbestimmten ersten Prüfmethode ein erster Widerstandswert (dU/dI) des Energiespeichers (12) und mittels einer zweiten Prüfmethode ein jeweiliger zweiter Widerstandswert (Ri_AC) des Energiespeichers (12) ermittelt wird, und wobei der aktuelle Verschleißzustand auf der Grundlage einer vorbestimmten Verhältnisfunktion (f), welche den ersten Widerstandswert (dU/dI) und den zweiten Widerstandswert (Ri_AC) aus dem jeweiligen Messzyklus (16) in ein Verhältnis setzt, ermittelt wird, wobei der zweite Widerstandswert (Ri_AC) einem AC-Widerstandswert entspricht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Prüfmethode umfasst, dass in einer Lastphase (19), während welcher an Anschlusspolen des Energiespeichers (12) im Vergleich zu einer vorbestimmten Ruhespannung (U0) eine Spannungsänderung dU und im Vergleich zu einem vorbestimmten Ruhestrom (10) eine Stromänderung dl vorliegt, ein Innenwiderstandswert dU/dl oder ein dazu korrespondierender Wert als erster Widerstandswert (dU/dl) ermittelt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Prüfmethode umfasst, dass bei einem zeitlichen Verlauf (24) einer an dem Energiespeicher (12) anliegenden elektrischen Spannung (U) und bei einem zeitlichen Verlauf (25) eines abgegebenen oder aufgenommenen elektrischen Stroms (I) jeweils ein Gleichanteil (22, 23) subtrahiert wird und auf der Grundlage verbleibender Wechselanteile (26, 27) der beiden zeitlichen Verläufe (24, 25) eine Innenimpedanz für Frequenzen größer als Null als zweiter Widerstandswert (Ri_AC) ermittelt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der jeweilige Messzyklus (16) im Anschluss an eine vorbestimmte Ruhephase (18) des Kraftfahrzeugs (10), in welcher der Energiespeicher (12) einen vorbestimmten unbelasteter Betriebszustand aufweist, durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest die erste Prüfmethode während eines Starts des Kraftfahrzeugs (10) durchgeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest die zweite Prüfmethode während eines Betriebs zumindest eines Stromrichters durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zu mehreren unterschiedlichen Zeitpunkten jeweils der Messzyklus (16) durchgeführt wird und anhand der jeweiligen Widerstandswerte (dU/dl, Ri_AC) aus den Messzyklen (16) ein zeitlicher Verlauf (28) des ersten Widerstandswerts (dU/dI) und ein zeitlicher Verlauf (29) des zweiten Widerstandswerts (Ri_AC) ermittelt wird und der Verschleißzustand auf der Grundlage einer vorbestimmten Trendfunktion, welche einen vorbestimmten zeitlichen Trend (32) zumindest eines der Widerstandswerte (dU/dl, Ri_AC) bewertet, ermittelt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor und/oder während des jeweiligen Messzyklus (16) eine Temperatur (T) des Energiespeichers (12) ermittelt wird und der in dem jeweiligen Messzyklus (16) ermittelte erste Widerstandswert (dU/dl) und/oder zweite Widerstandswert (Ri_AC) jeweils mittels einer vorbestimmten Normierungsfunktion auf eine vorbestimmte Normtemperatur (T0) normiert wird.
  9. Steuervorrichtung (14) für ein Kraftfahrzeug (10), wobei die Steuervorrichtung (14) eine Prozessoreinrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
  10. Kraftfahrzeug (10) mit einem elektrischen Energiespeicher (12) und mit einer Steuervorrichtung (14) nach Anspruch 9.
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