DE10205120B4

DE10205120B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des Innenwiderstandes einer Batterie, insbesondere einer Starterbatterie für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE10205120B4
Application number: DE10205120A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dipl.-Ing. Walter; Stefan Dipl.-Ing. Schröder; Stephan Dipl.-Ing. Buller; Eckhard Dipl.-Phys. Karden; Rik W. Prof. Dr. Ir. De Donker
Original assignee: Akkumulatorenfabrick Moll GmbH and Co KG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2001-02-13
Filing date: 2002-02-07
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2022-02-08
Also published as: DE10205120A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung des Innenwiderstandes einer Batterie, bei dem die auf der Verbraucherseite vorhandenen hochfrequenten Stromschwankungen und die daraus resultierende Spannungsantwort der Batterie gemessen werden und daraus der Innenwiderstand der Batterie bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenwiderstand über das Verhältnis der Leistung zum Quadrat des Stroms bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Innenwiderstandes einer Batterie, insbesondere einer Starterbatterie für ein Kraftfahrzeug, und eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
Bei dem erfindungsgemäßen System handelt es sich um ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Innenwiderstandes einer Batterie. Das System ist insbesondere für Bleibatterien in der Funktion als Starterbatterie eines Kraftfahrzeugs geeignet. Es kann allerdings auch bei anderen Starterbatterien für Kraftfahrzeuge oder sonstige Fahrzeuge wie Luftfahrzeuge, Wasserfahrzeuge und dergleichen verwendet werden. Das erfindungsgemäße System ist allerdings auch für Batterien in anderen Nutzungen anwendbar, insbesondere in Nutzungen, bei denen hochfrequente Lastschwankungen auf der Verbraucherseite vorliegen, also beispielsweise für Batterien in stationären Batterieanlagen, insbesondere bei der unterbrechungsfreien Stromversorgung.
In vielen Anwendungen ist heute eine zuverlässige Aussage über den Ladezustand und den Gesundheitszustand einer Batterie nötig. Um Aussagen über diese Größen treffen zu können ist der Innenwiderstand einer Batterie ein wichtiges Kriterium. Die Ermittlung des Innenwiderstandes sollte so einfach wie möglich geschehen und keine großen zusätzlichen Kosten verursachen.

Aus der DE 199 44 517 A1 ist bereits ein Verfahren bekannt, das die im Kraftfahrzeugbordnetz vorhandenen Störungen zur Batteriediagnose ausnutzt. In diesem Verfahren wird jedoch auf eine Strommessung verzichtet. Diese Erfindung ermittelt aus den detektierten Spannungsschwankungen den Ladezustand sowie den allgemeinen Zustand der Batterie. Eine derartige Aussage ist von großer Ungenauigkeit geprägt und stark von der im Einzelfall verwendeten Batterie abhängig. Daher kann dieses Verfahren nicht in zuverlässiger Weise auf unbekannte Batterien übertragen werden. Eine Verwendung in der Praxis erscheint somit problematisch.

Aus anderen Vorveröffentlichungen, beispielsweis der DE 197 50 309 A1 , sind weitere Verfahren zur Ermittlung der Startfähigkeit von Starterbatterien bekannt, die auf der Messung und Speicherung des temperatur- und ladezustandsabhängigen Spannungseinbruchs beim Startvorgang des Fahrzeugs basieren. Der auf diese Weise ermittelte Wert wird mit vorab ermittelten Referenzwerten verglichen und auf diese Weise eine Aussage über die Veränderung der Startfähigkeit getroffen.

Die DE 198 47 648 A1 offenbart ein Verfahren zur Ermittlung der Hochstrombelastbarkeit von Batterien, das den Innenwiderstand einer Batterie aus den beim Startvorgang ermittelten Strom- und Spannungswerten berechnet.

Allen Verfahren, mit Ausnahme des in der DE 199 44 517 A1 beschriebenen Verfahrens, ist die Einschränkung gemeinsam, dass nur beim Startvorgang Messwerte aufgenommen und ausgewertet werden können. Diese Einschränkung wird durch die hier beschriebene Erfindung überwunden.

Aus der DE 43 33 520 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung der inneren Impedanz einer Akkumulatorenbatterie in einer unterbrechungsfreien Leistungsversorgung bekannt, bei dem während der Entladung der Batterie zur Last der Laststrom, der durch die Last induziert wird und durch die Batterie hindurchfließt, gemessen oder berechnet wird, und bei dem die entsprechende, auf der Batteriespannung erhaltene Wechselspannungskomponente gemessen wird, wobei der Wert für die innere Impedanz der Batterie aus diesen Werten berechnet wird. Der erhaltene Impedanzwert wird mit einem vorbestimmten Vergleichswert verglichen, um den Zustand der Batterie zu bestimmen.

Aus der US 6 037 777 A ist ein Verfahren zur Bestimmung des Zustandes einer Batterie bekannt, bei dem die Realteile und Imaginärteile der komplexen Immittanz der Batterie bei verschiedenen Frequenzen gemessen und mit einem Modell der Batterie verglichen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, welches den Innenwiderstand der eingesetzten Starterbatterie genau und kostengünstig erfaßt und damit eine reproduzierbare und zuverlässige Aussage über den Nutzungsendpunkt (Lebensdauer) einer Batterie gestattet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung des Innenwiderstandes einer Batterie, insbesondere einer Starterbatterie für ein Kraftfahrzeug, werden die auf der Verbraucherseite vorhandenen hochfrequenten Stromschwankungen und die daraus resultierende Spannungsantwort der Batterie gemessen. Daraus wird der Innenwiderstand der Batterie bestimmt. Der Innenwiderstand wird über das Verhältnis der Leistung zum Quadrat des Stromes bestimmt. Bei der Durchführung des Verfahrens für eine Batterie in einem Fahrzeug wird die Verbraucherseite durch das Bordnetz gebildet, so dass in diesem Fall die im Bordnetz vorhandenen hochfrequenten Stromschwankungen gemessen werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Bestimmung des Innenwiderstands einer Batterie, insbesondere einer Starterbatterie für ein Kraftfahrzeug, insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gekennzeichnet durch einen Controller zum Ermitteln des Innenwiderstandes der Batterie aus den auf der Verbraucherseite vorhandenen hochfrequen ten Stromschwankungen und aus der daraus resultierenden Spannungsantwort der Batterie, wobei der Innenwiderstand über das Verhältnis der Leistung zum Quadrat des Stroms bestimmt wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den weiteren Unteransprüchen beschrieben.

Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Messung von Batteriespannung und Batteriestrom und deren Auswertung unter Ausnutzung der auf der Verbraucherseite bzw. im Fahrzeugbordnetz ohnehin vorhandenen Störfrequenzen. Vorzugsweise wird zusätzlich die Batterietemperatur gemessen und für die Auswertung herangezogen. Vorteilhaft ist es, wenn Batteriespannung, Batteriestrom und gegebenenfalls Batterietemperatur gleichzeitig gemessen werden. Dementsprechend basiert das Verfahren vorzugsweise auf der gleichzeitigen Messung von Batteriespannung, Batteriestrom und Batterietemperatur und deren Auswertung unter Ausnutzung der auf der Verbraucherseite bzw. im Fahrzeugbordnetz ohnehin vorhandenen Störfrequenzen.

Diese Störfrequenzen können sowohl durch Ladeeinrichtungen (beispielsweise die Stromrichterschaltung des Generators) als auch durch gepulst angesteuerte Lasten entstehen. Das erfindungsgemäße System ist preiswert zu realisieren und prinzipiell auf alle Anwendungen und Typen von Batteriespeichern übertragbar. Die erfindungsgemäße Ermittlung des Innenwiderstands ermöglicht eine kostengünstige und zuverlässige Aussage über die Startfähigkeit des Fahrzeugs sowie den Alterungszustand der Starterbatterie. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann überdies während einer Fahrt der Ladezustand der Bordnetzbatterie überwacht werden. Dies wird künftig von großer Bedeutung sein, da in modernen Fahrzeugen wichtige, sicherheitsrelevante Funktionen durch elektrische Komponenten übernommen werden sollen. Dabei sind vorallem die voll elektrische Lenkung sowie voll elektrische Bremssysteme zu nennen.

Ausgangspunkt der Erfindung ist die Kenntnis des Impedanzspektrums und des daraus resultierenden vereinfachtem Ersatzschaltbildes einer Batterie bzw. Starternbatterie. Im hochfrequenten Bereich dieses Spektrums erkennt man, dass die Ortskurve der Impedanz in der komplexen Ebene nahezu eine Gerade parallel zur Imaginärachse darstellt. Der Realteil, der in diesem Bereich der Kurve also nahezu konstant bleibt und überdies von Strom und Spannung unabhängig ist, wird im Ersatzschaltbild als Serienwiderstand dargestellt und als Innenwiderstand bezeichnet, da er insbesondere die Hochstrombelastbarkeit der Batterie maßgeblich bestimmt. Er ermöglicht eine Aussage über das Erreichen des Nutzungsendpunktes. Als Beispiel sei hier in
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ein Impedanzspektrum einer Batterie gezeigt. Diese Abbildung zeigt die Impedanzspektren einer Starterbatterie mit 44 Ah in verschiedenen Ladezuständen unter folgenden Versuchungsbedingungen: Temperatur 27°C, Frequenzbereich 6000 Hz – ca. 10 Hz (abhängig vom Entladegrad), Idc = 4.4A, 30 min Pause zwischen den Entladungen.

In der 1 werden Spektren einer Starferbatterie dargestellt, welche in unterschiedlichen Ladezuständen aufgezeichnet wurden. Man kann erkennen, dass sich der Realteil des Spektrums mit abnehmenden Ladezustand vergrößert. Diese Vergrößerung ist nicht nur bei einer zunehmenden Entladung, sondern auch bei einer stärkeren Alterung zu erkennen. Das hier beschriebene Verfahren ist nun in der Lage diesen Innenwiderstand zu ermitteln.
Um nun diesen Widerstand zu ermitteln wird folgendes Verfahren angewandt:
Zur Bestimmung des Widerstands wurde ein Ansatz gewählt, der diesen über eine Leistungsbetrachtung der Wechselanteile von Batteriestrom und Batteriespannung bestimmt. Diese findet in einem Frequenzband und nicht bei einer Einzelfrequenz statt. Insbesondere ist das Verfahren somit unabhängig von den genauen Drehzahlen des Generators. Folgende Formeln beschreiben das Verfahren für T ≫ 1/f_min(f_min abhängig vom Batterietyp):
Die Schwierigkeit des hier beschriebenen Verfahrens besteht in der gleichzeitigen Erfassung von Strom und Spannung an der Batterie. Deshalb wurden die Filter und Verstärker beider Meßzweige gleich aufgebaut. Dazu ist aber auch die Abbildung des Batteriestroms in eine zu ihm äquivalente Spannung nötig. Dieses wird in der hier als Beispiel vorgestellten Schaltung durch einen magnetoresistiven Stromsensor (MRS) ermöglicht. Die beiden Spannungssignale werden dann durch einen Bandpaßfilter (BP) auf die für dieses Verfahren wichtigen Frequenzbereiche eingeschränkt und anschließend durch vom Controller aus verstellbare Verstärkerstufen in ihrer Signalstärke auf das anschließende Sample& Hold-Glied angepaßt. Dieses stellt das gleichzeitige Erfassen der beiden Meßwerte sicher. Die
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zeigt ein Schaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Nach der Analogdigitalwandlung (A/D) berechnet der Controller die oben beschriebenen Formeln und ermöglicht die Kommunikation mit dem übergeordneten System. Alle Funktionen des Controllers können auch durch bereits im System vorhandene Mikrocontroller erledigt werden.
Vorteilhaft ist es, wenn die Stromschwankungen und die Spannungsantwort permanent gemessen werden. Die Messungen können über einen weiten Frequenzbereich erfolgen. Es ist aber auch möglich, bei einer oder mehreren Vorzugsfrequenzen zu messen. Vorteilhaft ist es, für die Messung der Stromschwankungen und/oder der Spannungsantwort bestimmte (definierte, gleiche oder unterschiedliche) Zeitintervalle vorzugeben. Die Zeitintervalle können mit dem Betrieb und/oder mit der Betriebsart des Gesamtsystems gekoppelt sein. Der Innenwiderstand kann über das Verhältnis der entnommenen Leistung zum Strom bestimmt werden. Vorteilhaft ist es, die Leistung und/oder den Strom durch integrierende Mittelung zu bestimmen. Die Leistung und/oder der Strom können für vorgegebene Messintervalle bestimmt werden. Vorteilhaft ist es, die Mittelwerte der Innenwiderstände in einem Speicher abzulegen, was über einen definierten Zeitraum erfolgen kann. Die zugehörigen Temperaturen können in einem Speicher abgelegt werden, vorzugsweise in dem Speicher, in dem die Mittelwerte der Innenwiderstände abgelegt werden. Vorteilhaft ist es, wenn die gespeicherten Werte für den Vergleich mit den aktuellen Werten geglättet oder durch Interpolations- oder Extrapolationsverfahren ergänzt werden. Die Innenwiderstände können zur Vorhersage der Hochstrombelastbarkeit und/oder des Nutzungsendes der Batterie verwendet werden. Die Funktionen des Controllers können in einem bereits im Fahrzeug vorhandenen Controller realisiert werden, so dass durch die Batteriediagnose kein wesentlicher Mehraufwand entsteht.
Vorzugsweise wird der Innenwiderstand in allen Betriebsphasen permanent gemessen. Die Bestimmung des Innenwiderstandes erfolgt vorzugsweise durch integrative Verarbeitung von Einzelmessdaten der Spannung U und des Stromes I in festgelegten Messintervallen aus R_i = P/I² = ∫(I(t)·U(t)dt/I(t)²dt.
Vorzugsweise erfolgt die Erfassung der Werte in einem weiten Bereich der Signalfrequenzen. Die Bestimmung des Innenwiderstandes auf diese Weise ist bei Batterien in Nutzungen anwendbar, in denen hochfrequente Lastschwankungen auf der Verbraucherseite vorliegen, beispielsweise in Batterien in stationären Batterieanlagen, insbesondere in USV-Anlagen (Anlagen für unterbrechungsfreie Stromversorgung). Vorteilhaft ist es, wenn die Messungen der Stromschwankungen und/oder der Spannungsantwort mit der gemessenen Temperatur bzw. den gemessenen Temperaturen korreliert werden.

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Innenwiderstandes einer Batterie, bei dem die auf der Verbraucherseite vorhandenen hochfrequenten Stromschwankungen und die daraus resultierende Spannungsantwort der Batterie gemessen werden und daraus der Innenwiderstand der Batterie bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenwiderstand über das Verhältnis der Leistung zum Quadrat des Stroms bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung und/oder der Strom durch integrierende Mittelung bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung und/oder der Strom für vorgegebene Meßintervalle bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromschwankungen und die Spannungsantwort gleichzeitig gemessen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromschwankungen und die Spannungsantwort permanent gemessen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromschwankungen und die Spannungsantwort über einen Frequenzbereich gemessen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromschwankungen und die Spannungsantwort bei einer oder mehreren Vorzugsfrequenzen gemessen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Batterie erfaßt wird, wobei die Messwerte der Stromschwankungen und/oder der Spannungsantwort vorzugsweise mit der Temperatur korreliert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Batterie gleichzeitig mit der Messung der Stromschwankungen und/oder der Spannungsantwort und/oder der Bestimmung des Innenwiderstandes erfaßt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Messung der Stromschwankungen und/oder der Spannungsantwort bestimmte Zeitintervalle vorgegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitintervalle mit dem Betrieb und/oder mit der Betriebsart des Gesamtsystems gekoppelt sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittelwerte der Innenwiderstände in einem Speicher abgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zugehörigen Temperaturen in einem Speicher abgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die gespeicherten Werte für den Vergleich mit den aktuellen Werten geglättet oder durch Interpolations- oder Extrapolationsverfahren ergänzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelten Innenwiderstände zur Vorhersage der Hochstrombelastbarkeit und/oder des Nutzungsendes der Batterie verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionen des Controllers in einem bereits im Fahrzeug vorhandenen Controller realisiert werden.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Bestimmung des Innenwiderstandes einer Batterie, insbesondere einer Starterbatterie für ein Kraftfahrzeug, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch einen Controller zum Ermitteln des Innenwiderstandes der Batterie aus den auf der Verbraucherseite vorhandenen hochfrequenten Stromschwankungen und aus der daraus resultierenden Spannungsantwort der Batterie, wobei der Innenwiderstand über das Verhältnis der Leistung zum Quadrat des Stroms bestimmt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch einen Bandpaßfilter für die Batteriespannung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 oder 18, gekennzeichnet durch einen Bandpaßfilter für den Batteriestrom oder für eine den Batteriestrom repräsentierende Spannung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Controller der bereits im Fahrzeug vorhandene Controller ist.