DE102021211870A1

DE102021211870A1 - Verfahren zum Überwachen eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102021211870A1
Application number: DE102021211870.4A
Authority: DE
Inventors: Christel Sarfert; Martin Andreas Lohrmann; Alexander Uwe Schmid; Joerg Poehler; Philipp Schroeer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-10-21
Filing date: 2021-10-21
Publication date: 2023-04-27
Also published as: WO2023066615A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Energiespeichers (16, 32, 42) in einem Kraftfahrzeug, wobei der Energiespeicher (16, 32, 42) zumindest einen insbesondere sicherheitsrelevanten Verbraucher (36,46) vorzugsweise für eine automatisierte Fahrfunktionen versorgt, wobei zumindest eine Kenngröße (Up) des Energiespeichers (16, 32,42) prädiziert wird, wobei die Prädiktion der Kenngröße (Up) in Abhängigkeit von einem Verhältnis eines Innenwiderstands (Ri) und eines Polarisationswiderstands (Rpol) des Energiespeichers (16, 32,42) erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug nach der Gattung unabhängigen Anspruchs.
Stand der Technik
Die DE 102019219427 A1 betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug, wobei der Energiespeicher zumindest einen insbesondere sicherheitsrelevanten Verbraucher vorzugsweise für eine automatisierte Fahrfunktionen versorgt, wobei zumindest eine Leistungsfähigkeit des Energiespeichers ermittelt wird, indem in Abhängigkeit von einem Lastverlauf zumindest eine Kenngröße des Energiespeichers prädiziert wird, wobei ermittelt wird, ob der Energiespeicher getauscht wurde und nach einem erkannten Tausch des Energiespeichers ermittelt wird, ob es sich bei dem getauschten Energiespeicher um einen zulässigen Energiespeicher handelt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Sicherheit und Zuverlässigkeit eines Bordnetzes weiter zu erhöhen. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs.
Offenbarung der Erfindung
Dadurch, dass eine Prädiktion der Kenngröße in Abhängigkeit von einem Verhältnis eines Innenwiderstands und eines Polarisationswiderstands des Energiespeichers erfolgt, kann die Qualität der Vorhersage weiter verbessert werden. Insbesondere für sicherheitsrelevante Anwendungen beispielsweise beim autonomen Fahren ist dies von besonderer Bedeutung. Das entsprechende Widerstandsverhältnis stellt zudem sicher, dass in einfacher Art und Weise das Alterungsverhalten des Energiespeichers berücksichtigt wird und man zudem für die Prädiktion auf der sicheren Seite ist. Das Ablegen des Verhältnisses erfolgt in Abhängigkeit bestimmter Messgrößen bzw. Zustandsgrößen, sodass später für die Prädiktion unter Berücksichtigung der tatsächlichen Umgebungsbedingungen das einschlägige Widerstandsverhältnis zu Grunde gelegt wird. Dadurch können auch unterschiedliche Typen von Energiespeichern bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen hinterlegt werden, sodass bei der Prädiktion auch geeignete Parameter verwendet werden können.
Besonders zweckmäßig werden in Abhängigkeit von unterschiedlichen Umgebungsbedingungen oder Zustandsgrößen vorab Messungen zur Bestimmung des Innenwiderstands und/oder Polarisationswiderstands durchgeführt. Diese Messungen können offline vor der eigentlichen Verwendung im laufenden Fahrbetrieb für verschiedene Typen von Energiespeichern durchgeführt werden, wodurch sich die Genauigkeit weiter erhöht und auch extreme Situationen simuliert und in den Auswirkungen abgebildet werden können.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung wird zur Ermittlung des Innenwiderstands und/oder Polarisationswiderstands ein Lastprofil verwendet, welches eine vorgebbare Spitzenlast umfasst, bei der der Energiespeicher zumindest eine bestimmte Spannung erreichen soll. Damit kann bereits vorab ein Worst-Case-Betriebsfall simuliert werden, ohne dass später im laufenden Fahrbetrieb dieses extreme Lastprofil zur Prädiktion der Kenngröße aktiviert werden müsste. Dies erhöht die Betriebssicherheit im laufenden Fahrbetrieb.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung wird der Polarisationswiederstand ermittelt in Abhängigkeit von einer Spannungsdifferenz, die sich nach Anlegen des Lastprofils einstellt, und/oder in Abhängigkeit einer Stromdifferenz und/oder in Abhängigkeit vom Innenwiderstand. Damit kann je nach Art der Anregung durch entsprechende Messwerte vorzugsweise bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen bzw. Zustandsgrößen der sich einstellende Polarisationswiderstand zuverlässig ermittelt werden.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung wird die prädizierte Kenngröße ermittelt in Abhängigkeit von einer Polarisationsspannung und/oder von dem vorab hinterlegten Verhältnis von Polarisationswiderstand zu Innenwiderstand multipliziert mit dem aktuell ermittelten Innenwiderstand sowie multipliziert mit einer eine Spitzenlast des Lastprofils beschreibenden Kenngröße. Damit wird insbesondere die sich einstellende Spannung am Energiespeicher prädiziert, die von den genannten Größen abhängt, auf die sich das Widerstandsverhältnis entsprechend auswirkt. Besonders zweckmäßig wird zudem auch die Ruhespannung und/oder ein Spannungsabfall am Innenwiderstand für die Prädiktion der Kenngröße berücksichtigt. Damit sind auch der Ladezustand des Energiespeichers sowie die aktuellen Umgebungsbedingungen entsprechend für die Prädiktion berücksichtigt, wodurch sich die Güte der Prädiktion weiter erhöht.
Besonders zweckmäßig wird ein Extremwert, insbesondere Maximalwert, aus dem Verhältnis des Polarisationswiderstands zu Innenwiderstand abgespeichert, sodass sich gezielt nur maximale Belastungsfälle, die der Energiespeicher im laufenden Betrieb sicher meistern muss, der Prädiktion zu Grunde gelegt werden. Dadurch können in einfacher Art und Weise unterschiedliche Arten von Energiespeicher abgebildet werden, ohne den Speicherbedarf über Gebühr zu erhöhen.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung werden bestimmte Verhältnisse des Polarisationswiderstands zu Innenwiderstand in einer Zuordnungstabelle und/oder in Abhängigkeit von zumindest einer Funktion hinterlegt. Dadurch kann der Speicherbedarf weiter reduziert werden.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung erfolgt die Prädiktion der Kenngröße unter Verwendung einer vorab in Abhängigkeit von zumindest einer Zustandsgröße hinterlegten Größe, die einen Einfluss einer Belastungshistorie des Energiespeichers auf die Kenngröße abbildet, wobei die Größe in Abhängigkeit von der Zustandsgröße ausgewählt wird. Damit lassen sich auch dynamische Belastungen bzw. die Belastungshistorie des Energiespeichers in einfacher Art und Weise berücksichtigen, sodass sich die Güte der Prädiktion weiter erhöht.
Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
Figurenliste
Es zeigen

1 ein mögliches Bordnetz für ein Fahrzeug mit einem sicherheitsrelevanten Verbraucher,
2 ein vereinfachtes Lastprofil,
die 3A bis 3C verschiedene weitere vereinfachte Lastprofile,
4 ein Lastprofil und die zugehörige prädizierte Kenngröße eines Energiespeichers,
5 ein Blockschaltbild zur Ermittlung der Parameter für ein statisches Modell,
6 ein Blockschaltbild zur Ermittlung einer prädizierten Kenngröße des Energiespeichers auf Basis des statischen Modells,
7 zeitabhängige Verläufe bestimmter Kenngrößen des Energiespeichers,
8 Lastprofile zur Bestimmung dynamischer Parameter zur Prädiktion einer dynamischen Kenngröße des Energiespeichers,
9 ein Blockschaltbild zur Ermittlung der Parameter für ein dynamisches Modell,
10 ein Blockschaltbild zur Ermittlung einer prädizierten Kenngröße des Energiespeichers auf Basis des statischen und dynamischen Modells sowie
11 ein Blockschaltbild zur Ermittlung einer prädizierten Kenngröße des Energiespeichers auf Basis des dynamischen Modells.

Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Beispielhaft ist in dem Ausführungsbeispiel als möglicher Energiespeicher eine Batterie bzw. Akkumulator beschrieben. Alternativ können jedoch andere für diese Aufgabenstellung geeignete Energiespeicher beispielsweise auf induktiver oder kapazitiver Basis, Brennstoffzellen, Kondensatoren oder Ähnliches gleichermaßen Verwendung finden.
1 zeigt eine mögliche Topologie eines Energieversorgungssystems, bestehend aus einem Basisbordnetz 22, welches zumindest einen Basisverbraucher 24 versorgt, der beispielhaft dargestellt ist. Alternativ könnte auch im Basisbordnetz 22 ein Energiespeicher bzw. eine Batterie mit zugehörigem (Batterie)sensor und/oder ein Starter, und/oder mehrere nicht sicherheitsrelevante KomfortVerbraucher, die durch eine elektrische Lastverteilung abgesichert bzw. angesteuert sein könnten, vorgesehen sein. Das Basisbordnetz 22 weist ein gegenüber einem Hochvolt-Bordnetz 10 niedrigeres Spannungsniveau auf, beispielsweise kann es sich um ein 14 V-Bordnetz handeln. Zwischen dem Basisbordnetz 22 und dem Hochvolt-Bordnetz 10 ist ein Gleichspannungswandler 20 angeordnet. Das Hochvolt-Bordnetz 10 umfasst beispielhaft einen Hochvolt-Energiespeicher 16 wie beispielsweise eine Hochvolt-Batterie, eventuell mit integriertem Batteriemanagementsystem, exemplarisch gezeigt eine nicht sicherheitsrelevante Last 18 bzw. Komfortverbraucher wie beispielsweise eine mit erhöhtem Spannungsniveau versorgte Klimaanlage etc. sowie eine Elektromaschine 12. Der Energiespeicher 16 kann über ein Schaltmittel 14 zur Versorgung des Hochvolt-Bordnetzes 10 zugeschaltet werden. Als Hochvolt wird in diesem Zusammenhang ein Spannungsniveau verstanden, welches höher ist als das Spannungsniveau des Basisbordnetzes 22. So könnte es sich beispielsweise um ein 48-Volt-Bordnetz handeln. Alternativ könnte es sich gerade bei Fahrzeugen mit Elektroantrieb um noch höhere Spannungsniveaus handeln. Alternativ könnte das Hochvolt-Bordnetz 10 ganz entfallen, wobei dann Komponenten wie Starter, Generator und Energiespeicher dem Basisbordnetz 22 zugeordnet werden.
Mit dem Basisbordnetz 22 sind beispielsweise zwei sicherheitsrelevante Kanäle 30, 40 verbunden. Der erste sicherheitsrelevante Kanal 30 ist über ein Trennelement 28 mit dem Basisbordnetz 22 verbunden. Der weitere sicherheitsrelevante Kanal 40 ist über ein weiteres Trennelement 26 mit dem Basisbordnetz 22 verbunden. Der erste sicherheitsrelevante Kanal 30 kann über einen Energiespeicher 32 mit Energie versorgt werden. Die charakteristischen Kenngrößen des Energiespeichers 32 werden von einem Sensor 34 erfasst. Der Sensor 34 ist vorzugsweise benachbart zum Energiespeicher 32 angeordnet. Der erste sicherheitsrelevante Kanal 30 versorgt einen sicherheitsrelevanten Verbraucher 36. Dieser sicherheitsrelevante Verbraucher 36 ist lediglich exemplarisch gezeigt. Es werden je nach Bedarf noch weitere sicherheitsrelevante Verbraucher 36 über den sicherheitsrelevanten Kanal 30 versorgt.
Auch der weitere sicherheitsrelevante Kanal 40 kann durch einen weiteren Energiespeicher 42 versorgt werden. Die Kenngrößen des weiteren Energiespeichers 42 erfasst ein weiterer Sensor 44. Der weitere Sensor 44 ist benachbart zum weiteren Energiespeicher 42 angeordnet. Der weitere sicherheitsrelevante Kanal 40 versorgt zumindest einen weiteren sicherheitsrelevanten Verbraucher 46. Je nach Bedarf können auch im weiteren sicherheitsrelevanten Kanal 40 weitere sicherheitsrelevante Verbraucher 46 versorgt werden.
Die in 1 gezeigte Topologie ist lediglich beispielhaft als eines von vielen Ausführungsbeispielen gewählt. Es gibt unterschiedlichste Möglichkeiten, wie die sicherheitsrelevanten Kanäle 30, 40 angebracht werden. Beispielhaft wäre möglich, dass der weitere sicherheitsrelevante Kanal 40 an dem sicherheitsrelevanten Kanal 30 hängt oder an Kanal 10 über einen weiteren Gleichspannungswandler.
Das Trennelement 26, 28 dient der Absicherung der jeweiligen sicherheitsrelevanten Kanäle 30, 40, so dass eventuell im Basisbordnetz 22 und/oder in einem sicherheitsrelevanten Kanal 30, 40 auftretende Fehler sich nicht auf den anderen sicherheitsrelevanten Kanal 30, 40 auswirken können. Hierbei kann es sich um entsprechende Schaltmittel oder aber auch um Gleichspannungswandler handeln, über die eine Trennung bzw. Verbindung der Teilnetze möglich wird. Alternativ könnten die Trennelemente 26,28 ganz entfallen, sodass die Kanäle 30,40 unmittelbar mit dem Gleichspannungswandler 20 verbunden sind.
Die über die beiden sicherheitsrelevanten Kanäle 30, 40 versorgbaren redundanten, insbesondere funktionsredundanten, sicherheitsrelevanten Verbraucher 36, 46 sind solche, die notwendig sind, ein Fahrzeug von einem automatisierten Fahrbetrieb (kein Eingreifen des Fahrers notwendig) beispielsweise in kritischen Fehlerfällen in einen sicheren Zustand zu überführen. Hierbei kann es sich um ein Anhalten des Fahrzeugs, sei es sofort, sei es am Fahrbahnrand oder erst am nächsten Rastplatz etc. handeln.
Gleichwohl spielt die Funktionsfähigkeit des Energiespeichers 16, 32, 42 zur Versorgung des oder der sicherheitsrelevanten Verbraucher(s) 36 auch bei einem möglichen Fehlerfall eine wichtige Rolle. Durch die Einführung der elektrischen Lenkung und Bremse sowie der fortschreitenden Automatisierung des Fahrzeuges wird es immer wichtiger, die sichere elektrische Versorgung dieser sicherheitsrelevanten Komponenten bzw. Verbraucher 36, 46 sicherzustellen. Da der Energiespeicher 16, 32, 42 dabei eine entscheidende Rolle spielt, müssen die Funktionen, die nun die Leistungsfähigkeit des Energiespeichers 16, 32, 42 bestimmen müssen, nach besonders hohen Anforderungen, wie sie beispielsweise in der ISO 26262 niedergelegt sind, entwickelt werden. Das hat weitreichende Folgen auch auf die Funktions- und Algorithmus-Entwicklung sowie an die Hardware, auf der diese Funktionen zur Anwendung kommen. Das nachfolgend erläuterte Verfahren ermöglicht eine sichere Prädiktion einer Kenngröße wie beispielsweise die Spannung Up des Energiespeichers 16, 32, 42 nach ISO 26262. Für ein nach Sicherheitsstandards sicheres Bordnetz 30, 40 ist die Vorhersage der Kenngröße Up des Energiespeichers 16, 32, 42 essentieller Bestandteil.
Bei der Prädiktion der Leistungsfähigkeit im Kontext der sicheren Versorgung sicherheitsrelevanter Verbraucher 36, 46, bis das Fahrzeug sich in einem sicheren Zustand (das Fahrzeug steht sicher am Straßenrand, Parkbucht etc.) befindet, gilt es sicherzustellen, dass der Energiespeicher 16, 32, 42 zumindest einen oder mehrere sicherheitsrelevante(n) Verbraucher 36, 46 bedienen kann, wie dies sich beispielsweise aus einem überlagerten Lenk- und Bremsvorgang ergibt. Die Lastabschätzung für die sicherheitsrelevanten Verbraucher 36, 46 wird durch ein sogenanntes Safe-of-Function (SOF)-(Strom)profil ausgedrückt. Ein solches Lastprofil 50 ist beispielsweise in Form des hierfür von dem Energiespeicher 16, 32, 42 benötigten notwendigen Stroms I exemplarisch in 2 gezeigt. Das jeweilige Lastprofil 50 kann hierbei eine Maximalanforderung an den Energiespeicher 16, 32, 42 definieren, bei dessen Ausführung dann die Kenngröße Up nicht unter einen bestimmten Grenzwert Ulimit fallen darf.
Ein Spezifikum des Ansatzes im Sicherheits-Kontext ist, dass man nicht davon ausgehen kann zu wissen, welcher Energiespeicher 16, 32, 42 letzten Endes verwendet wird. Bei einem nicht überwachten Tausch des Energiespeichers 16, 32, 42 kann es z.B. zu der Situation kommen, dass ein Energiespeicher 16, 32, 42 verwendet wird, der vorab nicht vermessen wurde und dessen Charakteristik nicht bekannt ist. Deshalb besteht ein weiterer wichtiger Teil der Lösung darin, Parametersätze 78, 80 zu generieren, die eine Vielzahl an Energiespeichern 16, 32, 42 abdecken, ohne das Sicherheitsziel zu verfehlen.
Das Messkonzept zur Bestimmung der Parametersätze 78, 80 ist generisch ausgelegt, sodass sehr viele unterschiedliche SOF-Profile (Kundenwünsche) durch eine entsprechende Parametrierung erstellt werden können. Eine Einhüllende 52 um das Lastprofil 50 sorgt für einen generalisierten Ansatz, mit dessen Hilfe sich flexible Kundenlösungen (wie beispielsweise das Stromprofil in 3A, 3B, 3C) realisieren.
Da der Lösungsraum sehr groß sein kann, gilt es eine Vielzahl von Parameterwerten 78, 80 abzuspeichern. Da die Rechen- und Speicherressourcen im Fahrzeug in der Regel sehr begrenzt sind, insbesondere bei Komponenten wie dem Sensor 34, 44, insbesondere Batteriesensor, der beispielsweise in die Polnische der Batterie passen muss, kann es dazu kommen, dass dies aus Speichergründen nicht mehr möglich ist. Deshalb wurde die Regression derart durchgeführt, dass die notwendige Speichermenge so gering wie möglich gehalten wurde. Eine Look-Up-Table bzw. Zuordnungstabelle 72 kann als Lösungsmöglichkeit verwendet werden. Ein alternativer Ansatz reduziert die Speichermenge noch stärker über die Repräsentation der Look-Up-Table bzw. der Zuordnungstabelle 72 über eine Funktion wie beispielsweise eine Polynomfunktion 76.
Die zur Prädiktion relevante Größe im Energiespeicher 16, 32, 42, ob dieser in der Lage ist, die erforderliche Leistung zu bringen, ist bei einem Akkumulator als möglicher Energiespeicher 16, 32, 42 neben dem Innenwiderstand Ri der Polarisationswiderstand Rpol. Der Bestimmung des Polarisationswiderstands Rpol ist aufgrund seiner multifaktoriellen Abhängigkeit (Zeit t, Stromhöhe I, Temperatur T, Ladezustand SOC des Energiespeichers, Alterungsart und -fortschritt, Bauform und Bautyp des Energiespeichers, Vorbelastung) eine komplexe Größe und schwierig zu bestimmen.
Für die Funktion bzw. den Algorithmus bedeutet dies im sicherheitsrelevanten Kontext, dass für alle denkbaren Betriebsszenarien der Algorithmus multifaktorielle Zusammenhänge erkennen und diese entsprechend gewichten muss. Dabei muss stets eine sichere Prädiktion der relevanten Kenngröße Up des Energiespeichers 16, 32, 42 gemacht werden. Zum Beispiel muss die Alterung des Energiespeichers 16, 32, 42 berücksichtig werden.
Was sehr gut im Sicherheitskontext ermittelt werden kann, ist der ohm'sche Innenwiderstand Ri des Energiespeichers 16, 32, 42 bzw. der Batterie. Dieser ändert sich mit der Alterung des Akkumulators und ist damit ein, wenn auch nicht der alleinige, Indikator für Alterung. Dennoch lässt sich die Veränderung des Wertes des Innenwiderstandes Ri dazu verwenden, um eine auch über die Lebensdauer des Energiespeichers 16, 32, 42 sichere Vorhersage der bestehenden oder nicht mehr bestehenden Leistungsfähigkeit des Energiespeichers 16, 32, 42 zu treffen.
Die Lösung beruht auf der Tatsache, dass das Verhältnis von Innenwiderstand Ri zu Polarisationswiderstand Rpol, das für einen Energiespeicher 16, 32, 42 zu Lebensbeginn sehr gut bestimmt werden kann, sich im Laufe der Alterung in einer charakteristischen Art und Weise verändert. Insbesondere ist davon auszugehen, dass der Anstieg des Innenwiderstandes Ri aufgrund von Alterung stets gleich oder sogar größer ist als der Anstieg des Polarisationswiderstandes Rpol aufgrund von Alterung (7). Wenn man diese beiden Größen Ri, Rpol ins Verhältnis setzt und dieses Verhältnis beibehält, auch wenn der Energiespeicher 16, 32, 42 altert, liegt man auf der sicheren Seite, was die Prädiktion unter Sicherheitsaspekten beispielsweise gemäß der ISO 26262 Norm angeht.
2 zeigt beispielhaft einen zeitlichen Verlauf eines Lastprofils 50. Dieses Lastprofil 50 bildet beispielhaft mögliche typische Lastverläufe der sicherheitsrelevanten Verbraucher 36, 46 ab, wie sie beispielsweise als Mindestanforderung für typische Situationen beispielsweise für das Durchführen eines Halts am Seitenstreifen oder ähnliche in jedem Fall noch durchzuführende Fahrmanöver insbesondere im Fehlerfall abgerufen werden. Die zeitlich gegebenenfalls stark schwankenden Verläufe des Lastprofils 50 werden über eine Einhüllende 52 angenähert. Die Annäherung erfolgt mit Blick auf eine Sicherstellung der Funktion dergestalt, dass im Zweifel höhere Belastungen beim Energiespeicher 16, 32, 42 bei einer Verwendung der Einhüllenden 52 für die darauf beruhende Prädiktion abgerufen würden. Im Ausführungsbeispiel ist als Lastprofil 50 ein von dem Energiespeicher 16, 32, 42 bereitzustellender Strom I verwendet.
Für die Prädiktion der Leistung bzw. einer Kenngröße Up des Energiespeichers 16, 32, 42 bzw. einer Batterie (sogenannte „State-of-Function SOF“) wird ein ein- oder zweistufiges Lastprofil 50, beispielsweise ein Stromprofil, mit definierten Zeitlängen definiert, welches verwendet wird, um eine Einhüllende 52 um das abgeschätzte Lastprofil 50 im Sicherheitsfall zu bilden. Das Lastprofil 50 bzw. zugehörige Einhüllende 52 kann je nach Kundenwunsch im Betrag, insbesondere Strombetrag, und in der zeitlichen Dauer verändert werden. Die Lösung ist flexibel für unterschiedliche Stromprofile einsetzbar (3A bis 3C). Das Lastprofil 50 kann je nach Kundenwunsch flexibel angepasst werden. Es bestehen jedoch bestimmte maximale Grenzen, die von der Kapazität des Energiespeichers 16, 32, 42, insbesondere der Batteriekapazität, abhängen. So könnten beispielsweise maximale Grenzen in einer bestimmten Zeitspanne (tpeak beispielsweise bis 15 Sekunden) für eine bestimmte Spitzenlast 53 (Ipeak maximal beispielsweise ein fünffaches der Batteriekapazität C pro Stunde, beispielsweise 300 A) und beispielsweise in der Größenordnung von 60 Sekunden für die Grundlast 51 (maximal beispielsweise das Doppelte der Batteriekapazität C pro Stunde, beispielsweise 120 A) definiert werden. Diese beispielhaften Werte sind 3 zu entnehmen.
Dieses definierte und mit dem Kunden abgestimmte Lastprofil 50 bzw. die zugehörige Einhüllende 52 wird für die Leistungsprognose bzw. Prädiktion der Kenngröße, wie die Spannung Up (Bordnetzspannung, Spannung am Energiespeicher 16, 32, 42), verwendet wie in 4 gezeigt. Das Lastprofil 52 umfasst dabei gegebenenfalls eine Grundlast 51 und eine Spitzenlast 53. Die Spitzenlast 53 wird durch die Maximalbelastung wie den Maximalstrom Ipeak definiert, der für eine in der Regel im Vergleich zur Grundlast 51 kürzere Dauer tpeak anliegt. Die Grundlast 51 zeichnet sich in der Regel durch einen längeren Belastungsverlauf mit geringerer Belastung aus. Gebenenfalls werden weitere Größen wie Temperatur T oder Strom I am Energiespeicher 16, 32, 42 gemessen, beispielsweise durch den jeweiligen Sensor 34, 44. Für die Prädiktion der sich voraussichtlich einstellenden Kenngröße Up wie beispielsweise die Spannungsprognose wird das definierte Lastprofil 50 bzw. zugehörige Einhüllende 52 als Lastgrundlage verwendet wie in den nachfolgenden 5 und 6 näher erläutert.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß 5 werden in einem Block 62 Messungen unterschiedlicher Energiespeicher 32.1,32.2....32.n durchgeführt. Hierzu werden generische Messspezifikationen 60 verwendet, die dem Messblock 62 zur Verfügung stehen. Diese Messungen für unterschiedliche Energiespeicher erfolgen offline, also vor der Inbetriebnahme des Verfahrens beispielsweise im Sensor 34, 44, vorzugsweise außerhalb des Fahrzeugs. Bei den Messungen werden die kundenspezifischen Lastprofile 50 wie in Verbindung mit den 2 und 3 beispielhaft beschrieben zu Grunde gelegt. Im Wesentlichen werden Strom- und Spannungswerte, die sich zu Beginn und/oder am Ende eines Flankenwechsels bei einem Lastprofil 50 einstellen, erfasst. Für eine Blei-Säure-Batterie als möglicher Energiespeicher 16, 32, 42 stellt sich zu Beginn ohne Belastung am Energiespeicher 16, 32, 42 eine bestimmte Spannung U0 ein, auch OCV Open-Circuit-Voltage oder Ruhespannung genannt. Bei Anliegen des Stromprofils bzw. der Stromflanke verläuft die Spannungsantwort zu Beginn in einem sofortigen, zeitunabhängigen Spannungsabfall in Höhe von Ri *I (Spannungsabfall aufgrund des Innenwiderstands Ri). Der sich daraufhin (nach quasi sofortigem Spannungsabfall in Höhe von Ri*I) anschließende weitere Spannungsabfall Upol hängt stark von der Zeitdauer t des Lastprofils 50 ab, bis sich nach einer bestimmten Zeitkonstante der weitere Spannungsabfall Upol in Höhe der Polarisationsspannung Upol einstellt. Der sich bei diesem Lastprofil (I) voraussichtlich einstellende Spannungswert (Up = U0 - I*Ri - Upol) sollte größer als die minimal zulässige Spannung Ulimit sein, damit der Energiespeicher 16, 32,42 noch einen sicheren Betrieb gewährleistet.
Die Messungen gemäß Block 62 werden für jeden Energiespeicher 32.1, 32.2, 32.3, 32.4... 32.n wiederholt. Hierbei werden die entsprechenden Lastprofile 50 bzw. die zugeörigen Einhüllenden 52 wie in Verbindung mit den 2-4 beschrieben zu Grunde gelegt.
Dadurch bietet das Konzept die Möglichkeit, dass entweder auf eine kundenspezifische Lösung (vgl. Block 75 in 5) mit entsprechenden Parametersätzen einer zugrundeliegenden speziellen Batterie oder generalisiert (vgl. Block 74 in 5) für eine beliebige Anzahl an ausgewählten Batterien das Modell 86 angepasst wird (6). Als Grundlage dient hierbei das Erfassen von Batteriemessdaten mithilfe einer generischen Messspezifikation 60. Mit Hilfe dieser( Batterie)messungen können die einzelnen Einflussfaktoren des Spannungsverhaltens pro Batterie analysiert werden. Die Parametrierung beinhaltet unter anderem die Abhängigkeit der Polarisationsspannung Upol vom Innenwiderstand Ri des Energiespeichers 16, 32, 42 bzw. der Batterie. Diese Beziehungen werden in Form von analytischen Funktionen angenähert und verwendet. Die Parametrisierung des Modells 86 wird für ein bestimmtes Lastprofil 50 bzw. Einhüllende 52 durchgeführt.
Aus diesen Messwerten U, I bzw. bekanntem Lastprofil 50 wird pro Batterie eine Regressionsanalyse durchgeführt, Block 64. Die Messungen zur Ermittlung des Innenwiderstands Ri in Block 66 werden nun für unterschiedliche Umgebungsbedingungen und unterschiedliche Energiespeicher 16, 32, 42 wiederholt. Die Umgebungsbedingungen können variiert werden So kann es sich hierbei um die Ruhespannung U0 und/oder die Temperatur T des Energiespeichers 16, 32, 42 handeln. Alternativ können aber auch andere Einflussgrößen bzw. damit zusammenhängende Einflussgrößen wie beispielsweise der Ladezustand SOC oder Ähnliches verwendet werden. Im Ausführungsbeispiel wird somit für jeden vermessenen Energiespeichertyp ein 2-dimensionales Ri-Feld in Abhängigkeit von der Ruhespannung U0 und der Temperatur T aufgespannt (Ri (U0, T)). Als Anregung für die Messung wurde wie beschrieben das individuell vom Kunden vorgebbare Lastprofil 50 bzw. die zugehörige Einhüllende 52, welches das Worst-Case-Szenario abbilden kann, verwendet.
In Block 68 wird der Polarisationswiderstand Rpol ermittelt, wiederum in Abhängigkeit bestimmter Umgebungsbedingungen. Im Ausführungsbeispiel werden als Umgebungsbedingungen der Strom I sowie die Temperatur T verwendet und gezielt für jeden Energiespeichertyp variiert und unter veränderten Bedingungen der Polarisationswiderstand Rpol ermittelt. Auch könnte die Ruhespannung U0 als weitere Umgebungsbedingung verwendet werden. Prinzipiell erfolgt die Ermittlung des Polarisationswiderstands Rpol unter Verwendung der nachfolgenden Gleichung: $R_{pol} (t) = \frac{Δ U_{t o t}}{Δ I_{t o t}} - R_{i} = \frac{U_{1} - U_{0}}{I_{1} - I_{0}} - R_{i}$
mit U0 der Ruhespannung, U1 der sich am Ende des Lastprofils 50 einstellende Spannungswert, I0 der zu Beginn des Lastprofils 50 verwendete Strom, sowie I1 der am Ende des Lastprofils 50 verwendete Strom und Ri der Innenwiderstand.
Somit wird der Polarisationswiderstand Rpol für jeden Energiespeichertyp bei geändertem Lastprofil 52 bzw. Stromprofil und geänderten Temperaturprofil T erfasst. Im Ausführungsbeispiel wird somit für jeden vermessenen Energiespeichertyp ein 3-dimensionales Rpol-Feld in Abhängigkeit von dem Strom I der jeweilige Maximalstrom Ipeak für das jeweilige Lastprofil 52 Temperatur T und der Ruhespannung U0 aufgespannt (Rpol (I, T, U0)).
Die Ausgangsgrößen der Blöcke 66, 68 gelangen (über die Blöcke 74 und/oder 75 wie oben kurz erwähnt) an einen Block 72, in dem das Verhältnis des Polarisierungswiderstands Rpol zum Innenwiderstand Ri (Rpol/Ri) insbesondere in Form einer Zuordnungstabelle gebildet wird. Das Verhältnis Rpol/Ri wird in Abhängigkeit von der Batterietemperatur T und in Abhängigkeit von der Ruhespannung U0 gebildet und in Form der Zuordnungstabelle abgelegt. Es werden für jeden Batterietyp die entsprechenden Verhältnisse Rpol/Ri für jeweils identische Ruhespannungen U0 bzw. identische Temperaturen T der einzelnen Werte Rpol (U0, T) bzw. Ri (U0, T) ermittelt. Die Funktion kann entweder auf eine spezifische Batterielösung 32.1 oder 32.2 oder 32.3 u.s.w. (Block 67) oder auf eine ganze Gruppe von Batterien bzw. Energiespeichern 16, 32, 42 (Block 69) angepasst werden. Bevorzugt wird bei Block 69 für jeden Arbeitspunkt der Maximalwert Rpol/Ri pro Batteriegruppe 16, 32, 42 im Sinne einer sicheren Auslegung ausgewählt. Diese (maximalen) Verhältnisse Rpol/Ri können beispielsweise abhängig von einer beliebigen Anzahl an Ruhespannungswerten U0 (beispielsweise zwischen 11,5 und 13 V) und Temperaturwerten T (beispielsweise zwischen - 20°C und 70 °C) abgespeichert und als Wertepaare aus der Zuordnungstabelle 72 abgerufen werden.
Alternativ könnten die Worst-Case-Wertepaare über eine analytische Funktion wie etwa einer Polynom-Funktion oder sonstige geeignete Funktionen abgebildet werden. Dadurch kann der Speicherverbrauch für die Abspeicherung des Modellverhaltens weiter reduziert werden. Dies erfolgt in Block 76.
Damit stehen die Wertepaare (Rpol/Ri) als Funktion f=(T,U0), abhängig von Temperatur T und/oder Ruhespannung U0, sei es in Form der Zuordnungstabelle 72, sei es in Form einer Generalisierung über eine Funktion bzw. Polynom gemäß Block 76 als Parameter 78 zur Verfügung. Damit ist die offline-Parametrisierung abgeschlossen. Die Parameter 78 stehen nun für eine weitere Verwendung im laufenden Betrieb des Fahrzeugs wie in 6 nachfolgend beschrieben zur Verfügung.
In 6 ist die Auswertung des aktuellen Zustands des Energiespeichers 16, 32, 42 im laufenden Betrieb des Fahrzeugs beschrieben. Die Auswertung könnte beispielsweise im Sensor 34, 44 realisiert sein. Alternativ könnte dies auch in einem weiteren Steuergerät im Fahrzeug oder aber fahrzeugextern beispielsweise in einer Cloud erfolgen.
Gemäß 6 gelangen verschiedene Messdaten wie beispielsweise Spannung U, Strom I, Temperatur T wie durch den Sensor 34, 44 erfasst an eine Zustandserkennung 82 für den Energiespeicher 16, 32, 42. Die Zustandserkennung 82 könnte im Sensor 34, 44 oder aber auch alternativ in einem weiteren Steuergerät im Fahrzeug oder fahrzeugextern beispielsweise in einer Cloud realisiert sein.
Der Zustandserkennung 82 werden unter Verwendung der Messgrößen U, I, T und ggf. einem zugrunde gelegten Modell oder Ähnliches charakteristische Größen bzw. Zustandsgrößen des Energiespeichers 16, 32, 42 wie beispielsweise der Innenwiderstand Ri, die Temperatur T des Energiespeichers 16, 32, 42, die Ruhespannung U0 und gegebenenfalls weitere Größen ermittelt. Die Zustandserkennung 82 könnte beispielsweise aufgrund einer gemessenen ASIC-Temperatur T (Messgröße) nach einem bestimmten Algorithmus die Temperatur T des Energiespeichers 16, 32,42 als Zustandsgröße T ermitteln. Bestimmte Zustandsgrößen wie Innenwiderstand Ri, Temperatur T, Ruhespannung U0 gelangen an ein statisches Modell 86. Diesem statischen Modell 86 sind die Parameter 78 wie in 5 ermittelt und/oder das Lastprofil 50, 52, insbesondere ein Stromprofil, zugeführt. Dieses statische Modell 86 ermittelt über das Verhältnis des Polarisierungswiderstands Rpol zum Innenwiderstand Ri (Rpol/Ri) die (statische) Polarisationsspannung Upol. Zur Ermittlung des Innenwiderstands Ri durch die Zustandserkennung 82 bedarf es einer kleinen Anregung des Bordnetzes, gegebenenfalls durch gezieltes Zuschalten einer Last. Ein Hauptmerkmal des Ansatzes ist, dass die Logik zur Prädiktion kein Lastprofil, ähnlich zum Lastprofil 52 mit maximaler Stromhöhe Ipeak bzw. Maximaldauer tpeak, benötigt.
Über die nachfolgende Gleichung kann die Polarisationsspannung Upol am Energiespeicher 16, 32, 42 ermittelt werden. Hierzu wird das entsprechende Verhältnis Rpol/Ri abhängig von der vom Sensor 34, 44 oder der Zustandserkennung 82 ermittelten Temperatur T bzw. von der Zustandserkennung 82 ermittelten Ruhespannung U0 aus der Zuordnungstabelle 72 bzw. dem Polynom 76 ermittelt, bei Maximallast (Ipeak, tpeak). Als Strom I findet der Maximalstrom Ipeak aus dem in 4 jeweils zugrundegelegten Lastprofil 50, 52 Verwendung. Der Innenwiderstand Ri und die Ruhespannung U0 werden von der Zustandserkennung 82 bereitgestellt. Damit lässt sich unter Verwendung der nachfolgenden zweiten Gleichung die Polarisationsspannung Upol ermitteln: $\begin{array}{l} R p o l = ƒ (t_{p e a k}, I_{p e a k}, U 0, T) \\ R_{i} = ƒ (U 0, T) \\ U_{pol} = \frac{R p o l}{R i} \cdot R i \cdot I_{p e a k} \end{array}$
Der Spannungsabfall am Innenwiderstand U_Ri, berechnet sich zu $U_{Ri} (T, U 0) = R i (U 0, T) \cdot I_{p e a k},$
wobei Ri(U0,T) in der Zustandserkennung 82 aus gemessenen Strom- und Spannungswerten I, U bestimmt und ggf. gefiltert wird.
Im nachfolgenden Block 90 wird die sich am Energiespeicher 16, 32, 42 einstellende Spannung Up prädiziert. Diese Prädiktion in Block 90 erfolgt in Abhängigkeit von der (stationären) Polarisationsspannung Upol, der Ruhespannung U0 und dem Spannungsabfall URi am Innenwiderstand Ri gemäß nachfolgender Gleichung: $U_{p} = U_{0} - U_{R i} - U_{p o l}$
Unterschreitet die prädizierte Spannung Up einen Spannungsgrenzwert Ulimit, beispielsweise 9V, so wird eine Warnung oder Gegenmaßnahme initiiert (Up < Ulimit). Der Energiespeicher 16, 32, 42 wird in diesem Falle als nicht mehr performant angesehen.
Somit verwendet das Modell 86 als Eingangsdaten neben dem Stromprofil bzw. Lastprofil 50, 52 die ermittelten Parameter 78 des jeweiligen Energiespeichers 16, 32, 42 (6).
Der Funktionswert wird im Sensor 34, 44 durch veränderte Betriebsbedingungen wie der Temperatur T des Energiespeichers 16, 32, 42 oder einem veränderten Ladezustand SOC oder Ruhespannung U0 stets angepasst. Eine Anpassung der Spannungsprognose Up über die Alterung ist durch das Verhältnis von Polarisationswiderstand Rpol zu Innenwiderstand Ri inhärent sicher ausgelegt, sodass eine Anpassung über die Alterung nicht notwendig ist, wie nachfolgend ausgeführt.
Sehr häufig auftretende Alterungsmechanismen in Blei-Säure-Batterien als möglicher Energiespeicher 16, 32,42 sind Korrosion (1) und Aktivmasseverlust (2).

(1): Korrosion macht sich vor allem durch einen Anstieg im Innenwiderstand Ri bemerkbar. Da das Verhältnis von Polarisations- zu Innenwiderstand (Rpol/Ri) von ungealterten Energiespeichern 16, 32, 42 bzw. Batterien als Parametersatz gewählt wird, wird davon ausgegangen, dass durch Korrosion als dominantem Alterungsmechanismus das Verhältnis Rpol/Ri durch Korrosion fällt, mindestens aber nicht steigt.
(2): Dasselbe gilt für den Aktivmasseverlust (Loss of active mass; LAM). Aktivmasseverlust reduziert die reaktionsfähige, aktive Batterieoberfläche, wodurch beide Widerstandsarten, Rpol und Ri ansteigen sollten, jedoch nicht das Verhältnis Rpol/Ri. Lediglich für sehr stark LAM-gealterte Batterien kann eine Erhöhung von Rpol/Ri eintreten - bei diesem Zustand ist die Batterie jedoch schon so weit gealtert, dass diese sowieso aussortiert werden muss.

Der Polarisationswiderstand Rpol wird schließlich über den aktuell anliegenden gealterten Innenwiderstand Ri_g in Abhängigkeit von dem Verhältnis von Polarisationswiderstand Rpol/Ri zu Lebensbeginn (BOL Begin of Life) des Energiespeichers 16, 32, 42 bestimmt: (Rpol/Ri)_BOL * Ri_g. $U_{pol} = \frac{R p o l}{R i} \cdot R i_g \cdot I_{p e a k}$
In 7 sind die geschilderten Zusammenhänge, die von der Zeit t bzw. Alterung abhängen, aufgezeigt. So steigt der Innenwiderstand Ri zum Lebensende (EOL) aufgrund von Korrosion des Energiespeichers 16, 32, 34 überproportional im Vergleich zum Polarisationswiderstand Rpol an. Betrachtet man nun das Verhältnis Rpol/Ri (Kor) aufgrund von Korrosion, so nimmt dieses Verhältnis linearer ab. Im Gegensatz zu Korrosion nimmt der Polarisierungswiderstand Rpol aufgrund von Aktivmasseverlust (LAM) Richtung Lebensende EOL stärker zu. Auch hier steigt das Verhältnis Rpol/Ri (LAM) aufgrund von Aktivmasseverlust LAM zu Beginn nicht an. Erst bei sehr stark ausgeprägtem LAM erreicht das Verhältnis wieder das anfängliche Niveau zu Lebensbeginn des Energiespeichers 16, 32, 42. Ab diesem Zeitpunkt ist davon auszugehen, dass das Lebensende (EOL) des Energiespeichers 16, 32,42 erreicht ist.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 9 ist gegenüber demjenigen der 5 ergänzt um ein Vorgehen zur Erstellung von Parametern 80 für ein dynamisches Modell 88. Das dynamische Modell 88 wird später in Verbindung mit 10 näher beschrieben.
Das wesentliche Merkmal des Konzeptes ist die Berücksichtigung der Belastungshistorie des Energiespeichers 16, 32, 42, insbesondere der Batterie, für die Spannungsprognose Up. Im Fahrbetrieb gibt es dynamische Lastsituationen, die je nach Fahrmuster auch unterschiedliche Belastungen für den Energiespeicher 16, 32, 42 bedeuten. Es genügt also nicht nur, einen statischen Arbeitspunkt (im sogenannten Gleichgewichtszustand des Energiespeichers 16, 32, 42) zu betrachten, sondern und insbesondere die Betriebshistorie einzubeziehen, um die Spannungsprognose Up in dynamischen Fahrsituationen unter starker Belastung des Energiespeichers 16, 32, 42 (Entladung des Energiespeichers 16, 32, 42) sicher und zuverlässig gestalten zu können. Das hier vorgestellte Konzept bietet die Möglichkeit, eine beliebig abgeleitete Spannungsprognose Up (konstanter Schätzwert oder beliebiges Lastprofil 50, 52 wie beispielhaft in Verbindung mit 5 beschrieben) für dynamische Lastfälle zu erweitern. Somit kann eine Spannungsprognose Up wesentlich genauer durchgeführt werden. Ein Merkmal des Konzepts ist die zeitliche Gewichtung der aufgetretenen Lasten: Tritt eine beliebige Last an dem Energiespeicher 16, 32, 42 auf, wird der Prognosewert Up (wie in Block 90 gemäß 6 im statischen Betriebsfall beispielhaft ermittelt) adaptiert. Es können jedoch auch andere Prädiktion in bzw. Schätzmethoden für den statischen Anteil der prädizierten Kenngröße Up, die nicht auf die 6 zurückgreifen.
Als Grundlage dient hierbei das Erfassen von Messdaten des Energiespeichers 16, 32, 42 mithilfe einer generischen Messspezifikation 60. Mit Hilfe dieser Messungen können die Einflussfaktoren des Spannungsverhaltens pro Energiespeicher 16, 32, 42 separat analysiert werden. Die Parametrierung beinhaltet auch das dynamische Verhalten der Energiespeicher 16, 32, 42. Das dynamische Widerstandsverhalten der Energiespeicher 16, 32,42, insbesondere der Batterien, wird in Form von analytischen Funktionen angenähert und verwendet. Falls der Prognosewert über ein Lastprofil 50, 52 wie in Verbindung mit den 2 und 3 beschrieben abgeleitet wird, kann die vorangegangene Belastung der Batterie als zusätzliche Eingangsgröße den dynamischen Algorithmus noch genauer machen.
Die Stromhöhe I und die Belastungszeit t des Lastprofils 50 werden als Eingangsgrößen verwendet. Eine Ladungsintegration wird durchgeführt und über ein zeitabhängiges Abklingverhalten in Ruhephasen zurückgesetzt. Eine zeitabhängige Abklingfunktion könnte über eine e-Funktion oder ein pT1-Glied durchgeführt werden. Eine analytische Funktion beschreibt den Zusammenhang zwischen Ladungshistorie Q und zusätzlicher Überspannung U. Sowohl der Aufbau der Überspannung U als auch das Abklingverhalten wurden anhand von Messdaten validiert (siehe generischer Messplan). Dadurch kann die Spannungsprognose Up auch in hochdynamischen Vorgängen immer sicher ablaufen. Der Algorithmus gewichtet also den Prognosewert Up abhängig von der Vorbelastung des Energiespeichers 16, 32, 42, abgebildet in Größe Udyn, τ, die einen Einfluss einer Belastungshistorie des Energiespeichers 16, 32,42 auf die Kenngröße Up abbildet.
Der Polarisationswiderstand Rpol eines Energiespeichers 16, 32, 42 kann je nach Betriebsbedingung des Energiespeichers 16, 32, 42 sehr unterschiedlich sein. Grundsätzlich ist ein Teil des Polarisationswiderstands Rpol immer der Ladungstransferwiderstand - eine Überspannung - welche von der Temperatur T und vom Ladezustand SOC eines Energiespeichers 16, 32, 42 abhängt. Zusätzliche Anteile am Polarisationswiderstand Rpol können Massentransportlimitierungen wie etwa Diffusionsvorgänge in einem Energiespeicher 16, 32, 42 sein. Diffusionseffekte werden im Wesentlichen durch den Zustand des Energiespeichers 16, 32, 42 beeinflusst. Daher wird in der Funktion der Zusammenhang zwischen Belastungshistorie und Überspannung als Funktion der Temperatur T des Energiespeichers 16, 32, 42 und des Ladezustands SOC beschrieben.
Die Spannungsvorhersage Up wird für dynamische Lastsituationen erweitert ( 11). Im Ausführungsbeispiel gemäß 5 und 6 wird beispielhaft ein Algorithmus beschrieben, welcher die Polarisationsspannung Upol von Energiespeichern 16, 32, 42 in Abhängigkeit des Arbeitspunktes prognostizieren kann. Die Polarisationsspannungen Upol werden unter definierten Umgebungsbedingungen (Arbeitspunkte aus der Ruhe heraus - Energiespeicher 16, 32, 42 befinden sich im relaxierten Zustand) gemessen. Dies ist wichtig, um grundsätzliche Abhängigkeiten unter Berücksichtigung der Betriebsbedingungen (Stromhöhe des Pulses Ipeak, Batterietemperatur T, Zeitdauer tpeak des Strompulses Ipeak, Ladezustand SOC des Energiespeichers 16, 32, 42 bzw. Ruhespannung U0) zu erkennen (10).
Für unterschiedliche Typen von Energiespeichern 32.1, 32.2, 32.3, 32.4, .. 32.n werden für unterschiedliche Lastprofile 52, beispielsweise einmal ein Lastprofil mit Grundlast 51 und Spitzenlast 53 (3A), anschließend ein weiteres Lastproil ohne Grundlast und nur mit Spitzenlast 53 (3C), zugehörige Spannungsverläufe U ermittelt wie in 8 gezeigt. Wesentlich ist, dass zwischen den beiden Belastungen eine Ruhephase bzw. Relaxationsphase liegt. Der Anstieg der Spannung U in der Ruhephase erfolgt mit einer Relaxationszeitkonstante bzw. Abklingverhalten τ, die temperaturabhängig τ(T) ist. Das Verfahren kann auf einzele Batterietypen oder auf Batteriegruppen angewendet werden. Diese Ruhephase ist zumindest so lange zu wählen, dass der Energiespeicher 16, 32, 42 in der Zwischenzeit sich wieder erholt bzw. sich wieder die Ruhespannung U0 einstellt. Auch das erste Lastprofil 52 (ebenso wie das weitere Lastprofil 52) wird angelegt, wenn sich der Energiespeicher 16, 32, 42 in einem definierten Zustand befindet, insbesondere die Ruhespannung U0 anliegt. Auf diese Art und Weise wird die in Abhängigkeit von zumindest einer Zustandsgröße U0, T, SOC, Q, Rihinterlegten Größe Udyn, τ, die einen Einfluss einer Belastungshistorie des Energiespeichers 16, 32,42 auf die Kenngröße Up abbildet, ermittelt.
Die Spitzenlast 53 - wie beispielhaft in dem Lastprofil 52 bzw. dem weiteren Lastprofil 52 verwendet - wird dabei definiert durch die Maximalbelastung wie den Maximalstrom Ipeak, der für eine Dauer tpeak anliegt. Die Grundlast 51 zeichnet sich durch in der Regel eine längeren Belastungsverlauf mit geringerer Maximalbelastung aus. Mit Anlegen der Grundlast 51 sinkt die Spannung U ab und bricht mit Anlegen der Spitzenlast 53 noch weiter ein. Die interessierende Größe ist der dabei entstehende gesamte Spannungsabfall UDCP. Nach Beendigung der Beaufschlagung des Energiespeichers 16, 32, 42 mit der Spitzenlast 53 erhöht sich die Spannung U nach einer gewissen Ruhezeit wieder. Anschließend wird der Energiespeicher 16, 32, 42 nur noch mit der Spitzenlast 53, ohne vorherige Beaufschlagung mit der Grundlast 51, beaufschlagt. Die Spannung U sinkt nun auf einen geringeren Wert U_SCP ab. Das tatsächliche Spannungsverhalten Udyn bzw. der tatsächlich gemessene Wert der dynamischen Spannung Udyn berechnet sich durch nachfolgende Gleichung: $Udyn (Q, U 0, T) = U_{DCP} - U_{SCP}$
wobei diese sich über einen exponentiell von der Temperatur abhängigen und linear von der Ladung abhängigen Term annähern lässt. Die dynamische Spannung Udyn hängt ab von der Ladung Q (Ladung Q als Integral über den Stromverlauf I bzw. der Belastung 52 inklusive dem temperaturabhängigen Abklingverhalten), dem Ladezustand SOC bzw. Ruhespannung U0 und der Temperatur T des Energiespeichers 16, 32, 42. Die dynamische Spannung Udyn kann ein Maß für die Belastungshistorie des Energiespeichers 16, 32,42 darstellen als Größe Udyn, τ, die einen Einfluss einer Belastungshistorie des Energiespeichers 16, 32,42 auf die Kenngröße Up abbildet.
Die Messungen der Spannungsverläufe werden bei variierenden Umgebungsparametern wie der Temperatur T, der Vorbelastung Q (Ladung Q als Integral über den Stromverlauf I) und dem Ladezustand SOC bzw. Ruhespannung U0 wiederholt. Dies läuft in dem Block 62 gemäß 9 ab.
Im nachfolgenden Block 64 erfolgt anhand der Messwerte für unterschiedliche Zustandsgrößen Q, SOC, T die Regression für jeden Energiespeicher 16,32,42. Für die oben ermittelte dynamische Spannung Udyn in Abhängigkeit der Zustandsgrößen Q, U0 bzw. SOC, T können die Koeffizienten für nachfolgende typische Gleichung bestimmt werden: $Udyn (Q, U 0, T) = a (U 0) * exp (b (U 0) /T) * Q + c (U 0)$
Wobei es sich bei a, c, d um konstante, abhängig von den Messwerten zu bestimmende Parameter handelt, wobei a,b,c vom Ruhezustand U0 (bzw. Ladezustand SOC) abhängige Größen sind.
Das Relaxationsverhalten gibt an, wie sich die Spannung U wieder nach Beendigung der Volllast 53, jedoch bei vorheriger Beaufschlagung durch die Grundlast 51, zurückentwickelt. Dies lässt sich zum Beispiel über eine neue Zustandsgröße Qbat modellieren wie in 11 gezeigt. Diese bildet in Entladephasen die Stromintegration Q ab, lässt aber in Ruhephasen den Ladungswert Q über ein zeitabhängiges Abklingverhalten abbilden. Das zeitabhängige Abklingverhalten τ ist temperaturabhängig τ(T): $Qbat = f (I, Q, τ (T))$
wobei Qbat die Zustandsgröße der Ladung Q darstellt für die effektiv an der Batterie anliegende Belastung.
Die Analyse des Relaxationsverhaltens kann aus Batteriemessungen, wie etwa in 8 gezeigt, erfolgen. Die Relaxationszeit τ kann beispielsweise in einer Zuordnungstabelle in Abhängigkeit von der Temperatur T hinterlegt sein, τ(T). Je tiefer die Temperatur T, desto größer die Relaxationszeit τ. Dies kann entweder für einen speziellen (Block 75) oder jeden (Block 74) Energiespeicher 16, 32, 42, der offline vermessen wurde, erfolgen.
Alternativ könnten die ermittelten Messwertkombinationen (Udyn(Q,SOC,T)) für die nachfolgende online-Ermittlung der prädizierten Spannung Up (gemäß nachfolgend beschriebener 11) auch ohne Regression abgespeichert werden für die jeweiligen Arten der Energiespeicher 16, 32, 42.
Anstelle der Generalisierung 74 können die Parameter 80 auch im Rahmen einer für den jeweiligen Energiespeicher 16, 32, 42 spezifischen Lösung ermittelt werden, Block 75. Die beschriebenen Schritte laufen vorzugsweise wiederum offline ab, werden also vor Inbetriebnahme des Verfahrens durchgeführt.
Nach erfolgter Generalisierung der Parameter in Block 74 sind die Parameter 80 für ein dynamisches Modell 88 gemäß 11 bestimmt. In diesem wird zwischen der Bestimmung der Zustandsgröße Qbat und der Spannungsbestimmung 94 (Spannungsbestimmung Upol,dyn (prädizierte dynamische Polarisationsspannung) unterschieden. Die Zustandsgröße Qbat nutzt als Eingangsdaten die aktuelle Ladungskurve Q (Stromintegration), Batterietemperatur T sowie den aktuellen Stromwert I. Im Block 92 (Bestimmung Qbat) wird die Ladung Q im stromlosen Zustand über ein zeitliches Verzögerungsglied zurückgesetzt. Dieses Qbat wird in der späteren Prädiktion Upol,dyn verwendet über die zuvor aufgestellte Gleichung.
Die Ausgestaltung gemäß 10 und 11 wird im laufenden Betrieb des Kraftfahrzeugs durchgeführt. Dies erfolgt unter Verwendung eines dynamischen Modells 88, welches die Belastungshistorie des Energiespeichers 16, 32, 42 insbesondere unter Rückgriff auf die in 9 ermittelten Parameter 80 abbildet. Wiederum ermittelt der Sensor 34, 44 entsprechende Messdaten wie beispielsweise Spannung U, Strom I, Temperatur T des Energiespeichers 16, 32, 42 und stellt sie der Zustandserkennung 82 des Energiespeichers 16, 32, 42 zur Verfügung. Die Zustandserkennung 82 ermittelt daraus bestimmte Zustandsgrößen des Energiespeichers 16, 32, 42, die auch dem dynamischen Modell 88 zu Verfügung gestellt werden wie beispielsweise die Temperatur T des Energiespeichers 16, 32, 42 und/oder die Ladung Q bzw. Qbat des Energiespeichers 16, 32, 42 und/oder den Innenwiderstand Ri und/oder den Ladezustand SOC und/oder die Ruhespannung U0 des Energiespeichers 16, 32, 42. Außerdem erhält das dynamische Modell 88 die in 9 ermittelten Parameter 80. Gegebenenfalls wird das Lastprofil 50, 52 dem dynamischen Modell 88 zur Verfügung gestellt. Das dynamische Modell 88 prädiziert die sich einstellende dynamische Spannung Upol,dyn als Maß für die Belastungshistorie.
In 10 wird nun beispielhaft die gesamte Polarisationsspannung Upol bestimmt aus der Summe der statischen Polarisationsspannung Upol,stat (bzw. Up,stat gemäß 10) und der dynamischen Polarisationsspannung Upol,dyn (bzw. Up,dyn gemäß 10): $Upol = Upol, stat + Upol, dyn$
$Upol, dyn = a (U 0) * exp (b (U 0) /T) * Qbat + c (U 0)$
Die prädizierte Kenngröße Up ergibt aus nachfolgender Gleichung $Up = U 0 - Upol - U_{Ri}$
mit U0 der Ruhespannung, Upol der Polarisationsspannung sowie URi dem Spannungsabfall am Innenwiderstand.
Unterschreitet die prädizierte Spannung Up einen kritischen Grenzwert Ulimit (Up < Ulimit) , deutet dies auf einen nicht mehr intakten Energiespeicher 16, 32,42 hin und es werden entsprechende Gegenmaßnahmen oder Warnhinweise eingeleitet.
Wiederum ist zu erwähnen, dass gegebenenfalls die stationären Größen wie bspw. Upol,stat auch auf anderem Wege als in Verbindung mit 5 und 6 beschrieben ermittelt werden können bzw. dass die dynamische Größe Upol,dyn schon für sich genommen eine Aussage über die Güte des Energiespeichers 16, 32, 42 zulässt.
Wird die tatsächliche Funktionsfähigkeit des Energiespeichers 16, 32, 42 nicht erreicht, werden Gegenmaßnahmen eingeleitet. So erfolgt beispielsweise eine Warnmeldung und/oder es werden sicherheitsrelevante Funktionen gesperrt. Die Warnmeldung kann dem Fahrzeugführer in einem Display oder sonstigen Anzeigemittel angezeigt werden. Alternativ könnte eine entsprechende Warnmeldung auch über geeignete Kommunikationskanäle beispielsweise der Werkstatt, einem Flottenbetreiber etc. angezeigt werden. Auch könnte die manuelle oder automatische Überführung des Fahrzeugs in einen sicheren Zustand wie beispielsweise das Anhalten am Straßenrand, Anfahren des nächsten Parkplatzes oder Ähnliches (sogenannter Safe Stopp des Fahrzeugs) initiiert werden.
Das beschriebene Verfahren eignet sich insbesondere zur Überwachung von Energiespeichern 16, 32, 42 für sicherheitsrelevante Anwendungen wie beispielsweise für die Versorgung sicherheitsrelevanter Verbraucher in einem Kraftfahrzeug insbesondere beim autonomen Fahren. Die Verwendung ist jedoch hierauf nicht eingeschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019219427 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 26262 [0030]

Claims

Verfahren zum Überwachen eines Energiespeichers (16, 32, 42) in einem Kraftfahrzeug, wobei der Energiespeicher (16, 32, 42) zumindest einen insbesondere sicherheitsrelevanten Verbraucher (36,46) vorzugsweise für eine automatisierte Fahrfunktionen versorgt, wobei zumindest eine Kenngröße (Up) des Energiespeichers (16, 32,42) prädiziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Prädiktion der Kenngröße (Up) in Abhängigkeit von einem Verhältnis eines Innenwiderstands (Ri) und eines Polarisationswiderstands (Rpol) des Energiespeichers (16, 32,42) erfolgt, wobei in Abhängigkeit von zumindest einer aktuellen Zustandsgröße (T, U0, SOC) des Energiespeichers (16, 32, 42) und/oder zumindest einer aktuellen Messgröße (U, I, T) des Energiespeichers (16, 32, 42) das zugehörige Verhältnis von Polarisationswiderstand (Rpol) zu Innenwiderstand (Ri) ausgewählt wird und für die Prädiktion der Kenngröße (Up) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von unterschiedlichen Umgebungsbedingungen oder Zustandsgrößen (T, U0, SOC) des Energiespeichers (16, 32,42), wie beispielsweise Temperatur (T), Ladezustand (SOC), Ruhespannung (U0), vorab Messungen zur Bestimmung des Innenwiderstands (Ri) und Polarisationswiderstands (Rpol) durchgeführt werden zur Ermittlung des Verhältnisses von Innenwiderstand (Ri) und Polarisationswiderstand (Rpol).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Innenwiderstands (Ri) und/oder Polarisationswiderstands (Rpol) ein Lastprofil (50) verwendet wird, welches eine vorgebbare Spitzenlast (53) umfasst, bei der der Energiespeicher (16, 32,42) zumindest eine bestimmte Spannung (Ulimit) erreichen soll.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Polarisationswiderstand (Rpol) ermittelt wird in Abhängigkeit von einer Spannungsdifferenz (U1 - U0), die sich nach Anlegen des Lastprofils (50) einstellt, und/oder in Abhängigkeit einer Stromdifferenz (I1 - I0) und/oder in Abhängigkeit vom Innenwiderstand (Ri).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die prädizierte Kenngröße (Up) ermittelt wird in Abhängigkeit von einer Polarisationsspannung (Upol) und/oder von dem vorab hinterlegten Verhältnis von Polarisationswiderstand (Rpol) zu Innenwiderstand (Ri) multipliziert mit dem aktuell ermittelten Innenwiderstand (Ri) sowie multipliziert mit einer eine Spitzenlast (53) des Lastprofils (50) beschreibenden Kenngröße, insbesondere ein Spitzenstrom (Ipeak).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Prädiktion der Kenngröße (Up) von der Ruhespannung (U0) die Polarisationsspannung (Upol) und/oder ein Spannungsabfall (URi) am Innenwiderstand (Ri) abgezogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bestimmte Messgrößen des Energiespeichers (16, 32, 42) von einem Sensor (34, 44) erfasst werden, insbesondere eine Spannung (U) am Energiespeicher (16, 32, 42) und/oder ein Strom (I), mit dem der Energiespeicher (16, 32, 42) belastet wird, und/oder eine Temperatur (T) insbesondere des Energiespeichers (16, 32, 42).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine insbesondere im Sensor (34, 44) realisierte Zustandserkennung (82) des Energiespeichers (16, 32, 42) in Abhängigkeit von zumindest der Messgröße (U, I, T) zumindest eine Zustandsgröße (Ri, SOC, U0, T) des Energiespeichers (16, 32, 42), insbesondere der Innenwiderstand (Ri), und/oder insbesondere ein Ladezustand (SOC) des Energiespeichers (16, 32, 42) und/oder insbesondere eine Ruhespannung (U0) des Energiespeichers 16, 32, 42) und/oder insbesondere eine Temperatur (T) des Energiespeichers (16, 32, 42), ermittelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Verhältnisse des Polarisationswiderstands (Rpol) zum Innenwiderstand (Ri) in Abhängigkeit von zumindest einer Umgebungsgröße und/oder Zustandsgröße (U0, SOC, T) des Energiespeichers (16, 32, 42) abgespeichert werden, insbesondere solche Verhältnisse, welche eine maximale Belastung des Energiespeichers (16, 32, 42) abbilden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Extremwert, insbesondere Maximalwert, aus dem Verhältnis des Polarisationswiderstands (Rpol) zum Innenwiderstand (Ri) abgespeichert wird, bevorzugt für jeden Typ eines Energiespeichers (16, 32, 42).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bestimmte Verhältnisse des Polarisationswiderstands (Rpol) zum Innenwiderstand (Ri) in einer Zuordnungstabelle (72) abgespeichert werden und/oder in Abhängigkeit von zumindest einer Umgebungsgröße (U0, T) und/oder Zustandsgröße (U0, T) in Form einer Funktion, insbesondere eines Polynoms, abgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prädiktion der Kenngröße (Up) unter Verwendung einer vorab in Abhängigkeit von zumindest einer Zustandsgröße (U0, T, SOC, Q, Ri) hinterlegten Größe (Udyn, τ), die einen Einfluss einer Belastungshistorie des Energiespeichers (16, 32,42) auf die Kenngröße (Up) abbildet, erfolgt, wobei die Größe (Udyn, τ) in Abhängigkeit von der Zustandsgröße (U0, T, SOC, Qbat, Ri) ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (16, 32,42) mit einem Lastprofil (50, 52), insbesondere umfassend zumindest eine Grundlast (51) und eine Spitzenlast (53), beaufschlagt wird und nach einer Ruhephase, insbesondere bis eine Ruhespannung (U0) des Energiespeichers (16, 32, 42) erreicht wird, mit einem weiteren Lastprofil (50), insbesondere eine Spitzenlast (53), beaufschlagt wird und dass der sich hierbei einstellende Spannungsverlauf (U) ausgewertet wird zur Ermittlung der Größe (Udyn, τ), die einen Einfluss einer Belastungshistorie des Energiespeichers (16, 32,42) auf die Kenngröße (Up) abbildet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (34, 44) vorgesehen wird, der die Messgrößen (U, I, T) erfasst und/oder dass ein Sensor (34, 44) die Zustandserkennung (82) umfasst und/oder dass der Sensor (34, 44) dazu verwendet wird, das Verhältnis zwischen Polarisationswiderstand (Rpol) zu Innenwiderstand (Ri) abzuspeichern und/oder dass der Sensor (34, 44) dazu verwendet wird, die Kenngröße (Up) zu prädizieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen eines Grenzwerts (Ulimit) durch die prädizierten Kenngröße (Up) eine Maßnahme eingeleitet wird, wie beispielsweise ein Sperren einer insbesondere sicherheitsrelevanten Funktion und/oder eine Ausgabe einer Warnmeldung.