DE10246383A1

DE10246383A1 - Verfahren und Einrichtung zum Berechnen des Ladewirkungsgrads und der elektrischen Ladungsmenge einer Batterie

Info

Publication number: DE10246383A1
Application number: DE10246383A
Authority: DE
Inventors: Youichi Arai; Shuji Satake
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2001-10-04
Filing date: 2002-10-04
Publication date: 2003-04-30
Anticipated expiration: 2022-10-05
Also published as: US6696818B2; JP3720290B2; US20030067282A1; JP2003114264A; DE10246383B4

Abstract

Ein Ladewirkungsgrad, der das Verhältnis einer in einer Batterie als Spannungsquelle gespeicherten elektrischen Ladungsmenge zu einer der Batterie zugeführten elektrischen Gesamtladungsmenge ist, wird an einer Mehrzahl von Messpunkten zwischen einem Beginn und einem Ende des Ladens der Batterie berechnet. Eine Widerstandsdifferenz der Batterie zwischen einem Widerstand zum Ladebeginn und einem Widerstand an einem der Messpunkte wird ermittelt, und ein Vollladungswiderstand wird bei einem vollständig geladenen Zustand der Batterie ermittelt. Durch Verwendung eines Verhältnisses der Widerstandsdifferenz zum Vollladungswiderstand wird ein Ladewirkungsgrad der Batterie an dem gegebenen der Messpunkte berechnet. Die Batterie befindet sich in einem aktiven Zustand, wenn auf den Polen der Batterie keine Passivierungsschicht gebildet ist. Eine gespeicherte elektrische Ladungsmenge der Batterie wird aufgrund der Ladewirkungsgrade ermittelt, die während des Ladens der Batterie nacheinander gewonnen wurden, wenn die Batterie sich im aktiven Zustand befindet. Andererseits wird eine gespeicherte elektrische Ladungsmenge der Batterie aufgrund einer Integration eines mit einer zugehörigen Ladezeit multiplizierten Ladestroms während einer Übergangszeit ermittelt, in der auf den Polen der Batterie eine Passivierungsschicht verbleibt, bevor der Ladestrom die Passivierungsschicht hinreichend durchbricht.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Berechnen des Ladewirkungsgrads einer Batterie, die zum Zuführen einer elektrischen Leistung an eine Last dient, zu einem beliebigen Zeitpunkt zwischen einem Ladebeginn und einem Ladeende der Batterie. Der Ladewirkungsgrad ist definiert als Verhältnis einer in der Batterie geladenen elektrischen Ladungsmenge zu einer der Batterie zugeführten elektrischen Gesamtladungsmenge. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Ermitteln einer in der Batterie gespeicherten elektrischen Ladungsmenge anhand einer Mehrzahl der ermittelten Ladewirkungsgrade.
Zum Beispiel bei einer in einem Kraftfahrzeug eingebauten Batterie, insbesondere in einem Elektrofahrzeug mit Elektromotor als Hauptantriebseinheit, ist es von großer Wichtigkeit, den Ladezustand (SOC: state of charge) der Batterie zu überwachen, um eine normale Betriebsbedingung des Fahrzeugs sicherzustellen.
In jüngerer Zeit wurde für ein allgemeines Kraftfahrzeug, das als Antriebseinheit einen Verbrennungsmotor aufweist, oder für ein Hybridfahrzeug, das einen Elektromotor zum Liefern einer zum Verbrennungsmotor zusätzlichen Antriebskraft aufweist, eine Leerlauffunktion für Stillstandszeiten des Verbrennungsmotors entwickelt, z. B. wenn das Fahrzeug an einer Straßenkreuzung entsprechend einem Stoppsignal vorübergehend stehenbleiben muss.
Ein Fahrzeug mit solcher Leerlauffunktion erfordert eine Batterie, deren Entladekapazität ausreicht, den Verbrennungsmotor des Fahrzeugs wieder anzulassen, nachdem die Batterie eine erhebliche elektrische Energiemenge zum Antreiben eines leistungsstarken Hilfsmotors (Zellenmotors) während einer Leerlaufzeit des Fahrzeugs abgegeben hat.
Deshalb ist es von großer Wichtigkeit, den Betriebszustand und die verbleibende Entladekapazität einer Batterie für ein allgemeines Fahrzeug, ein Hybridfahrzeug und ein Elektromotorfahrzeug der oben beschriebenen Art zu kennen.
Bei einem typischen Elektrofahrzeug wird die Batterie während Nichtgebrauchszeiten des Fahrzeugs, z. B. in einer Garage, geladen. Demgegenüber besitzt ein Hybridfahrzeug einen Motorgenerator, der als Generator arbeitet, um die Batterie zu laden, solange das Fahrzeug von einem Verbrennungsmotor als Primärantrieb angetrieben wird. Auch kann der Motorgenerator während einer Bremsphase des Fahrzeugs die Batterie durch die Antriebskraft des Motorgenerators aufladen, selbst wenn das Fahrzeug fährt. Ein allgemeines Fahrzeug, das als Primärantrieb nur einen Verbrennungsmotor aufweist, lädt seine Batterie mittels eines Generators auf, der von dem Verbrennungsmotor angetrieben wird.
Unabhängig von der Art des Fahrzeugs, wie Elektrofahrzeug, allgemeines Fahrzeug oder Hybridfahrzeug, ist es daher wichtig, den Ladezustand seiner Batterie genau zu kennen, da der Ladezustand sich sowohl mit dem Ladebetrieb als auch mit der Abgabe elektrischer Leistung an eine Last ändert.
Jedoch erzeugt eine chemische Reaktion während des Ladens einer Batterie Sauerstoffgas und Wasserstoffgas, die zu H₂O reduziert werden, so dass die der Batterie zugeführte elektrische Ladungsmenge teilweise nicht zur Aufladung der Batterie genutzt wird. Außerdem wird diese Tendenz deutlicher, wenn die Batterie sich ihrem vollständig geladenen Zustand nähert. Somit kann eine bloße Integration von Ladeströmen über den zugehörigen Ladezeiten nicht den korrekten Ladezustand der Batterie zu einem Zeitpunkt während des Ladens der Batterie ergeben.
Das vorstehend genannte Problem ist nicht auf Fahrzeugbordbatterien beschränkt, sondern tritt auch bei allgemeinen Batterien auf, die elektrische Energie an eine Last liefern.

Angesichts der vorstehend beschriebenen Situation besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines Verfahrens und einer Einrichtung zum Ermitteln des Ladewirkungsgrads einer zum Zuführen elektrischer Energie an eine Last verwendeten Batterie zu einem beliebigen Zeitpunkt zwischen Beginn und Ende des Ladens der Batterie. Der Ladewirkungsgrad ist definiert als Verhältnis einer in der Batterie geladenen elektrischen Ladungsmenge zu einer der Batterie zugeführten elektrischen Gesamtladungsmenge. Die Erfindung gibt auch ein Verfahren und eine Einrichtung zum genauen Berechnen einer in der Batterie gespeicherten elektrischen Ladungsmenge an. Dadurch kann man den Ladezustand der Batterie an jedem Punkt des Ladens der Batterie kennen.

Zur Lösung der Aufgabe schafft die Erfindung nach einem ersten Gesichtspunkt ein Verfahren zum Berechnen eines Ladewirkungsgrads, der das Verhältnis einer in einer Batterie als Spannungsquelle gespeicherten elektrischen Ladungsmenge zu einer der Batterie zugeführten elektrischen Gesamtladungsmenge ist, zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt zwischen einem Beginn und einem Ende des Ladens der Batterie, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
zu Beginn des Ladens wird ein Anfangswiderstand der Batterie gemessen,
in dem gegebenen Zeitpunkt werden zwischen einem Klemmenpaar der Batterie eine Spannung und ein Strom gemessen, um einen zu dem Zeitpunkt herrschenden Innenwiderstand der Batterie zu ermitteln,
eine Widerstandsdifferenz wird ermittelt, die eine Differenz zwischen dem zu dem Zeitpunkt herrschenden Innenwiderstand und dem Anfangswiderstand ist, und
ein Verhältnis der Widerstandsdifferenz zu einem Vollladungswiderstand, der ein Widerstand der Batterie bei einem vollständig geladenen Zustand der Batterie ist, wird ermittelt,
wodurch anhand des Verhältnisses ein zu dem Zeitpunkt herrschender Ladewirkungsgrad der Batterie berechnet wird.

Somit werden zu einer Mehrzahl von Messzeitpunkten zwischen einem Beginn und einem Ende des Ladens der Batterie an dem Klemmenpaar der Batterie eine Spannung und ein Strom gemessen, um an jedem der Messpunkte einen Widerstandswert der Batterie zu erhalten. Dann wird eine Widerstandsdifferenz ermittelt, die eine Differenz zwischen einem Widerstand am Ladebeginn und einem Widerstand an einem der Messpunkte ist. Außerdem wird ein für einen vollständig geladenen Zustand der Batterie geltender Vollladungswiderstand ermittelt, und ein Verhältnis der Widerstandsdifferenz zum Vollladungswiderstand wird ermittelt, um während des Ladens der Batterie an jedem der Messpunkte einen Ladewirkungsgrad der Batterie zu erfahren. Damit kann man den Ladezustand der Batterie genau kennen, der sich mit einem in der Batterie erzeugten Gas ändern würde. Das heißt, der Ladewirkungsgrad berücksichtigt einen Ladeverlust, der durch die je nach Ladephase unterschiedliche Gaserzeugung bedingt ist.

Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der nach dem ersten Gesichtspunkt ausgebildeten Erfindung wird das Verhältnis der Widerstandsdifferenz zum Vollladungswiderstand von 1 (Eins) abgezogen, um für den gegebenen Zeitpunkt einen Ladewirkungsgrad zu ermitteln.

Somit kann ein Absinken des Ladewirkungsgrads von einem Idealwert zu jedem Zeitpunkt während des Ladens unter Verwendung der Klemmenspannung und des Entladestroms berechnet werden, die während des Ladens gemessen werden.

Nach einem dritten Gesichtspunkt schafft die Erfindung ein Verfahren zum Berechnen einer gespeicherten elektrischen Ladungsmenge der Batterie nach dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung, wobei eine am Ende des Ladens der Batterie in der Batterie gespeicherte elektrische Ladungsmenge ermittelt wird, indem eine Mehrzahl der Ladewirkungsgrade verwendet werden, die jeweils an einem einer Mehrzahl der Messzeitpunkte zwischen dem Beginn und dem Ende des Ladens der Batterie gewonnen werden.

Nach dem dritten Gesichtspunkt der Erfindung wird eine gespeicherte elektrische Ladungsmenge zu jedem Zeitpunkt während des Ladens der Batterie aufgrund der Ladewirkungsgrade gewonnen, die nacheinander zwischen dem Beginn und dem Ende des Ladens der Batterie nach dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung ermittelt werden.

Somit wird eine in der Batterie tatsächlich gespeicherte elektrische Ladungsmenge im Vergleich zu einer der Batterie zugeführten elektrischen Ladungsmenge an jedem ausgewählten Punkt eines Zeitintervalls genau berechnet. Eine Integration der gespeicherten elektrischen Ladungsmenge vom Beginn bis zum Ende des Ladens liefert eine genaue elektrische Ladungsmenge, die am Ende in der Batterie gespeichert ist.

Nach einem vierten Gesichtspunkt schafft die Erfindung ein Verfahren zum Berechnen einer gespeicherten elektrischen Ladungsmenge nach dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung, wobei die Batterie Pole besitzt, die sich in einem aktiven Zustand befinden, solange auf den Polen keine Passivierungsschicht gebildet ist, und wobei aufgrund eines während des Ladens zeitveränderlichen Verlaufsmusters des Ladestroms festgestellt wird, ob die Pole sich im aktiven Zustand befinden,
wobei die in der Batterie gespeicherte elektrische Ladungsmenge ermittelt wird, indem eine Mehrzahl der Ladewirkungsgrade verwendet werden, die jeweils an einem einer Mehrzahl der Messzeitpunkte zwischen dem Beginn und dem Ende des Ladens der Batterie gewonnen werden, wenn die Pole sich im aktiven Zustand befinden,
wobei die gespeicherte elektrische Ladungsmenge der Batterie aufgrund einer Integration eines mit einer zugehörigen Ladezeit multiplizierten Ladestroms während einer Übergangszeit ermittelt wird, in der auf den Polen der Batterie eine Passivierungsschicht verbleibt, bevor der Ladestrom die Passivierungsschicht hinreichend durchbricht.

Wenn zu Beginn des Ladens der Batterie auf Polen der Batterie eine Passivierungsschicht gebildet ist, befindet sich die Batterie nicht in einem aktiven Zustand. Im inaktiven Zustand wird ein Ladestrom kleiner, so dass in der Batterie kein Gas erzeugt wird. Mit dem Ladungsvorgang wird die Passivierungsschicht durchbrochen, so dass der Ladestrom zunimmt.

Somit wird die gespeicherte elektrische Ladungsmenge der Batterie aufgrund einer Integration des mit einer zugehörigen Ladezeit multiplizierten Ladestroms während einer Übergangszeit ermittelt, in der die Batterie sich in einem inaktiven Zustand befindet. Andererseits wird die gespeicherte elektrische Ladungsmenge der Batterie aufgrund der Ladewirkungsgrade ermittelt, die nacheinander zwischen dem Beginn und dem Ende des Ladens der Batterie gewonnen werden, wenn die Batterie sich im aktiven Zustand befindet, in dem keine Passivierungsschicht auf den Polen der Batterie verbleibt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird nachstehend ein fünfter Gesichtspunkt der Erfindung erörtert. Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Berechnen eines Ladewirkungsgrads, der das Verhältnis einer in einer Batterie 13 als Spannungsquelle gespeicherten elektrischen Ladungsmenge zu einer der Batterie zugeführten elektrischen Gesamtladungsmenge ist, zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt zwischen einem Beginn und einem Ende des Ladens der Batterie, wobei die Einrichtung folgende Merkmale aufweist:
eine Messeinrichtung A zum Messen einer Spannung und eines Stroms zwischen einem Klemmenpaar der Batterie zu dem gegebenen Zeitpunkt, um einen zu dem Zeitpunkt herrschenden Innenwiderstand der Batterie zu ermitteln,
eine Einrichtung 23A zum Berechnen eines Anfangswiderstands, um aufgrund einer Klemmenspannung und des zugehörigen Stroms, die mittels der Messeinrichtung gemessen werden, einen am Ladebeginn herrschenden Innenwiderstand der Batterie zu ermitteln,
eine Einrichtung 23B zum Berechnen eines Aufladungswiderstands, um aufgrund einer Klemmenspannung und eines zugehörigen Stroms, die mittels der Messeinrichtung gemessen werden, einen zu dem gegebenen Zeitpunkt herrschenden Innenwiderstand der Batterie zu ermitteln,
eine Einrichtung 23C zum Berechnen einer Widerstandsdifferenz, um eine Differenz zwischen dem zu dem gegebenen Zeitpunkt herrschenden Innenwiderstand und dem Anfangswiderstand zu ermitteln,
eine Speichereinrichtung 23cA zum Speichern eines im vollständig geladenen Zustand der Batterie herrschenden Innenwiderstands, und
eine Einrichtung 23D zum Berechnen eines Widerstandsverhältnisses, um ein Verhältnis der Widerstandsdifferenz zu dem im vollständig geladenen Zustand herrschenden Widerstand zu ermitteln,
wodurch anhand des Verhältnisses ein zu dem Zeitpunkt herrschender Ladewirkungsgrad der Batterie berechnet wird.

Nach dem fünften Gesichtspunkt der Erfindung misst die Messeinrichtung A eine Spannung und einen zugehörigen Strom zwischen einem Klemmenpaar einer Batterie 13 an einer Mehrzahl von Messpunkten zwischen einem Beginn und einem Ende des Ladens der Batterie. Die Einrichtung 23A oder 23B zum Berechnen eines Widerstands ermittelt einen Widerstand der Batterie an jedem der Messpunkte aufgrund der Spannungen und zugehörigen Ströme zwischen dem Klemmenpaar der Batterie. Die Einrichtung 23C zum Berechnen einer Widerstandsdifferenz ermittelt eine Widerstandsdifferenz, die eine Differenz zwischen einem Widerstand am Ladebeginn und einem Widerstand an einem der Messpunkte ist. Die Speichereinrichtung 23cA speichert einen Bezugswert für den Vollladungswiderstand, der für einen vollständig geladenen Zustand der Batterie gilt, und die Einrichtung 23D zum Berechnen eines Widerstandsverhältnisses ermittelt ein Verhältnis der Widerstandsdifferenz zum Bezugs- Vollladungswiderstand. Damit kann man einen Ladezustand der Batterie 13 genau kennen, der sich mit einem in der Batterie entstehenden Gas ändern würde.

Somit wird zu jedem Punkt während des Ladens ein Ladewirkungsgrad genau berechnet, indem die Klemmenspannung und der Entladestrom genutzt werden, die während des Ladens gemessen werden. Der Ladewirkungsgrad berücksichtigt einen Ladeverlust, der durch die je nach Ladephase unterschiedliche Gasentstehung bedingt ist.

Ein sechster Gesichtspunkt der Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Berechnen eines Ladewirkungsgrads nach dem fünften Gesichtspunkt der Erfindung, wobei die Einrichtung zum Berechnen eines Widerstandsverhältnisses das Verhältnis der Widerstandsdifferenz zum Vollladungswiderstand von 1 (Eins) abzieht, um für den gegebenen Zeitpunkt einen Ladewirkungsgrad der Batterie zu ermitteln.

Ein siebter Gesichtspunkt der Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Berechnen einer gespeicherten elektrischen Ladungsmenge nach dem fünften Gesichtspunkt der Erfindung, wobei eine am Ende des Ladens der Batterie in der Batterie gespeicherte elektrische Ladungsmenge ermittelt wird, indem eine Mehrzahl von Ladewirkungsgraden verwendet werden, die jeweils an einem einer Mehrzahl von zeitlich aufeinanderfolgenden Punkten zwischen dem Beginn und dem Ende des Ladens der Batterie mittels der Einrichtung zum Berechnen des Ladewirkungsgrads gewonnen werden.

Beim siebten Gesichtspunkt der Erfindung wird eine gespeicherte elektrische Ladungsmenge zu jedem Punkt während des Ladens der Batterie 13 aufgrund der Ladewirkungsgrade ermittelt, die zwischen dem Beginn und dem Ende des Ladens der Batterie 13 nacheinander gewonnen werden. Somit liefert eine Integration einer gespeicherten elektrischen Ladungsmenge vom Beginn zu jedem beliebigen Punkt des Ladens eine gespeicherte elektrische Ladungsmenge am betrachteten Ladepunkt, wodurch eine genaue elektrische Ladungsmenge ermittelt wird, die tatsächlich in der Batterie gespeichert ist, nachdem elektrische Energie in die Batterie 13 gespeist worden ist.

Somit ergibt eine Integration der gespeicherten elektrischen Ladungsmenge vom Beginn zum Ende des Ladens eine elektrische Ladungsmenge, die sich am Ende in der Batterie befindet.

Ein achter Gesichtspunkt der Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Berechnen einer gespeicherten elektrischen Ladungsmenge nach dem fünften Gesichtspunkt der Erfindung, caobei die Batterie Pole besitzt, die sich in einem aktiven Zustand befinden, solange auf den Polen keine Passivierungsschicht gebildet ist, und wobei die Einrichtung zum Berechnen einer gespeicherten elektrischen Ladungsmenge folgende weitere Merkmale aufweist:
eine Einrichtung 23E zum Feststellen des aktiven Zustands, um aufgrund eines während des Ladens zeitveränderlichen Verlaufsmusters des Ladestroms festzustellen, ob die Pole sich im aktiven Zustand befinden, wobei der Ladestrom durch die Messeinrichtung erfasst wird, wobei die in der Batterie gespeicherte elektrische Ladungsmenge ermittelt wird, indem eine Mehrzahl von Ladewirkungsgraden verwendet werden, die jeweils an einem einer Mehrzahl von zeitlich aufeinanderfolgenden Punkten zwischen dem Beginn und dem Ende des Ladens der Batterie gewonnen werden, wenn die Pole sich im aktiven Zustand befinden, und
eine Einrichtung 23F zum Berechnen der gespeicherten elektrischen Ladungsmenge, um eine elektrische Ladungsmenge zu ermitteln, die während einer Übergangszeit gespeichert wird, in der eine Passivierungsschicht auf den Polen der Batterie verbleibt, so dass die Pole sich nicht im aktiven Zustand befinden, bevor der Ladestrom die Passivierungsschicht hinreichend durchbricht, wobei die gespeicherte elektrische Ladungsmenge der Batterie aufgrund einer Integration eines mit einer zugehörigen Ladezeit multiplizierten Ladestroms über der Übergangszeit ermittelt wird.

Die Batterie 13 befindet sich nicht in einem aktiven Zustand, wenn auf Polen der Batterie zu Beginn des Ladens der Batterie eine Passivierungsschicht gebildet ist. Im inaktiven Zustand wird ein Ladestrom kleiner, so dass es nicht zu einer Abnahme des Ladewirkungsgrads der Batterie aufgrund eines in der Batterie erzeugten Gases kommt. Mit dem Ladevorgang bricht die Passivierungsschicht, so dass der Ladestrom anwächst. Die Einrichtung 23E zum Feststellen des aktiven Zustands stellt aufgrund eines zeitveränderlichen Verlaufsmusters des Ladestroms fest, ob die Batterie sich im aktiven Zustand befindet.

Somit wird die gespeicherte elektrische Ladungsmenge der Batterie 13 aufgrund einer Integration des Ladestroms über einer zugehörigen Ladezeit während einer Übergangszeit ermittelt, in der die Batterie 13 sich in einem inaktiven Zustand befindet. Deshalb wird eine in der Batterie gespeicherte Ladungsmenge während einer Übergangszeit genau berechnet, bis die Passivierungsschicht durch den zugeführten Strom vollständig durchbrochen wird. Andererseits wird die gespeicherte elektrische Ladungsmenge der Batterie 13 aufgrund der Ladewirkungsgrade ermittelt, die nacheinander zwischen dem Beginn und dem Ende des Ladens der Batterie 13 gewonnen werden, wenn die Batterie 13 sich im aktiven Zustand befindet, in dem auf den Polen der Batterie 13 keine Passivierungsschicht verbleibt.

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer Einrichtung zum Berechnen des Ladewirkungsgrads und einer elektrischen Ladungsmenge einer Fahrzeugbordbatterie nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist ein schematisches Blockschaltbild einer Einrichtung zum Ermitteln einer elektrischen Ladungsmenge einer Fahrzeugbordbatterie, auf die ein Verfahren zum Messen des Ladewirkungsgrads nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewandt wird;
Fig. 3 ist eine Kurve zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen einem Ladestrom und einer zugehörigen Ladezeit;
Fig. 4 ist ein schematisches Ersatzschaltbild der Batterie zu Beginn einer Aufladung;
Fig. 5 ist ein schematisches Ersatzschaltbild der Batterie zu einem Zeitpunkt nach Beginn der Aufladung;
Fig. 6 ist eine Kurve zur Veranschaulichung eines sich mit der Zeit ändernden Entladestroms, bezüglich dessen Batterie eine gespeicherte elektrische Ladung von einer in Fig. 2 gezeigten Einrichtung zur Berechnung der gespeicherten elektrischen Ladung berechnet wird;
Fig. 7 ist eine Kurve zur Veranschaulichung eines Beispiels für eine Spannungs-Strom-Kennlinie, die durch eine lineare Näherungsgleichung ausgedrückt ist;
Fig. 8 ist eine Kurve zur Veranschaulichung eines Beispiels für eine Spannungs-Strom-Kennlinie, die durch eine quadratische Näherungsgleichung ausgedrückt ist;
Fig. 9 ist eine Kurve zur Veranschaulichung eines Beispiels für eine Polarisation(sspannung) in Abhängigkeit vom Strom einer Batterie;
Fig. 10 ist ein Graph zweier Beispiele für die näherungsweisen, durch zwei quadratische Näherungsgleichungen dargestellten Kennlinien, die während eines Entladeverlaufs der Batterie gewonnen werden;
Fig. 11 ist ein Graph zur Erläuterung des Verfahrens zum Definieren zweier optionaler Punkte auf den beiden näherungsweisen Kennlinien;
Fig. 12 ist ein Graph zur Erläuterung der Vorgehensweise zum Definieren eines angenommenen Punkts auf einer der näherungsweisen Kennlinien und zur Erläuterung der Vorgehensweise zum Korrigieren der Steigung zwischen zwei Punkten;
Fig. 13 ist ein Graph zur Erläuterung der Vorgehensweise zum Definieren eines angenommenen Punkts für die andere näherungsweise Kennlinie und zur Erläuterung der Vorgehensweise zum Korrigieren der Steigung zwischen zwei Punkten;
Fig. 14 und 15 zeigen jeweils ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung der Verarbeitungsschritte, die von einem Mikrocomputer nach Fig. 2 gemäß einem vorgegebenen, in einem ROM des Mikrocomputers gespeicherten Programm ausgeführt werden;
Fig. 16 ist ein Graph zur Erläuterung der Vorgehensweise zum Definieren zweier Punkte auf zwei näherungsweisen Kennlinien in einem zweiten Verfahren,
Fig. 17 ist ein Graph zur Erläuterung der Vorgehensweise zum Definieren eines angenommenen Punkts für die eine näherungsweise Kennlinie und zur Erläuterung der Vorgehensweise zum Korrigieren der Steigung zwischen zwei Punkten bei dem zweiten Verfahren; und
Fig. 18 ist ein Graph zur Erläuterung der Vorgehensweise zum Definieren eines angenommenen Punkts für die andere näherungsweise Kennlinie und zur Erläuterung der Vorgehensweise zum Korrigieren der Steigung zwischen zwei Punkten bei dem zweiten Verfahren.
Unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen werden nachstehend ein erfindungsgemäßes Verfahren und eine erfindungsgemäße Einrichtung zum Berechnen eines Ladewirkungsgrads einer Batterie und zum Ermitteln einer in der Batterie gespeicherten Ladungsmenge erörtert.
Fig. 2 ist eine Übersicht, teilweise in Form eines Blockschaltbilds, zur allgemeinen Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens und einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Gewinnen eines Ladewirkungsgrads einer Fahrzeugbordbatterie und zum Ermitteln einer in der Batterie gespeicherten Ladungsmenge. Die Bezugsziffer 1 bezeichnet die Einrichtung, die in einem Hybridfahrzeug eingebaut ist, das zusätzlich zu einem Verbrennungsmotor 3 einen Motorgenerator 5 aufweist.
Bei Normalbetrieb des Hybridfahrzeugs wird eine Ausgangsleistung des Verbrennungsmotors 3 über eine Antriebswelle 7 und ein Differentialgetriebe 9 an Räder 11 übertragen, um das Fahrzeug zu bewegen. In einem Hochlastbetrieb des Fahrzeugs wird der Motorgenerator 5 durch eine aus der Batterie 13 zugeführte elektrische Leistung als Motor bewegt, und eine Antriebskraft des Motorgenerators 5 wird zusätzlich zur Ausgangsleistung des Verbrennungsmotors 3 über die Antriebswelle 7 an die Räder 11 abgegeben.
Der Motorgenerator 5 des Hybridfahrzeugs arbeitet in einer Verzögerungs- oder Bremsphase des Fahrzeugs als Generator, um kinetische Energie in elektrische Leistung zum Laden der Batterie 13 umzuwandeln, die zum Betreiben verschiedener Arten von Lasten im Fahrzeug eingebaut ist.
Der Motorgenerator 5 arbeitet auch als Zellenmotor, der beim Anlassen des Verbrennungsmotors 3 zwangsweise ein Schwungrad des Verbrennungsmotors 3 dreht, sobald ein (nicht dargestellter) Anlasserschalter eingeschaltet wird.
In dem Hybridfahrzeug schließt eine erste Drehstufe eines in einem (nicht dargestellten) Zylinder aufgenommenen (nicht dargestellten) Schlüssels (nicht dargestellte) Zubehörschalter, und eine zweite Drehstufe des Schlüssels schließt einen (nicht dargestellten) Zündschalter, während die Zubehörschalter ihren geschlossenen Zustand behalten.
Ferner schließt eine dritte Drehstufe des Schlüssels den Anlasserschalter, während die Zubehörschalter und der Zündschalter eingeschaltet bleiben.
Wenn der Schlüssel sich in der dritten Stufe befindet und losgelassen wird, kehrt er in die zweite Drehstufe zurück, wodurch der Anlasserschalter ausgeschaltet wird. In dieser Stufe behält der Schlüssel seine Stellung, in welcher die Zubehörschalter und der Zündschalter eingeschaltet bleiben, es sei denn, der Schlüssel wird in die Gegenrichtung gedreht. In der ersten Stufe behält der Schlüssel ebenfalls seine Stellung, in welcher die Zubehörschalter eingeschaltet bleiben, es sei denn, der Schlüssel wird in die Gegenrichtung gedreht.
Wenn der Motorgenerator 5 als Zellenmotor arbeitet, fließt aus der Batterie 13 kurzzeitig ein Entladestrom von ungefähr 250 A (Ampere) zum Anlassen des Verbrennungsmotors 3, wobei keine weiteren elektrischen Einheiten in Betrieb sind.
Die Einrichtung 1 zum Berechnen der in der Batterie gespeicherten elektrischen Ladungsmenge weist nach dieser Ausführungsform einen Stromsensor 15 und einen Spannungssensor 17 auf. Der Stromsensor 15 erfasst zum Beispiel einen Entladestrom I, der aus der Batterie 13 zum Motorgenerator 5 fließt, wenn der Motorgenerator 5 als Zellenmotor arbeitet, und einen Ladestrom, der aus dem Motorgenerator 5 zur Batterie 13 fließt, wenn der Motorgenerator 5 als Generator arbeitet. Der Spannungssensor 17 erfasst die Spannung zwischen einem Klemmenpaar der Batterie 13. Der einen äußerst hohen Widerstand aufweisende Spannungssensor 17 ist parallel zur Batterie 13 angeschlossen.
Der Stromsensor 15 und der Spannungssensor 17 liegen in einem Stromkreis, der geschlossen ist, wenn der Zündschalter eingeschaltet wird.
Die Einrichtung 1 zum Berechnen der in der Batterie gespeicherten elektrischen Ladungsmenge weist nach der Ausführungsform ferner einen Mikrocomputer 23 und einen nicht- flüchtigen Speicher (NVM: non-volatile memory) 25 auf. Der Mikrocomputer 23 empfängt Ausgangssignale des Stromsensors 15 und des Spannungssensors 17 über eine Schnittstellenschaltung 21 (als I/F bezeichnet, Interface), die eine Analog-Digital- Wandler-Funktion umfasst.
Der Mikrocomputer 23 umfasst eine CPU (central processing unit: zentrale Verarbeitungseinheit) 23a, ein RAM (random access memory: Schreib-Lese-Speicher) 23b und ein ROM (readonly memory: Nur-Lese-Speicher) 23c. Die CPU 23a ist mit dem RAM 23b, dem ROM 23c und der Schnittstellenschaltung 21 verbunden. Die CPU 23a empfängt ein Signal, das angibt, ob der (nicht dargestellte) Zündschalter ein- oder ausgeschaltet ist.
Das RAM 23b besitzt einen Datenbereich zum Speichern verschiedener Arten von Daten und einen Arbeitsbereich zum Durchführen verschiedener Arten von Verarbeitungsschritten. Das ROM 23c speichert ein Steuerprogramm, das die CPU 23a veranlasst, die Verarbeitungsschritte durchzuführen. Im ROM 23c ist ein für den vollgeladenen Zustand der Batterie 13 geltender Widerstandswert vorläufig gespeichert. Der im vollständig geladenen Zustand herrschende Widerstandswert ist die Summe aus einem ohmschen Widerstand Rf und einem Polarisations- (Aktivierungs- und Konzentrations-)Widerstand Rpolf, wenn die Batterie 13 sich in einem vollständig geladenen Anfangszustand befindet.
Das ROM 23c der Einrichtung 1 zum Berechnen der in der Batterie gespeicherten elektrischen Ladungsmenge entspricht der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung 23cA zum Speichern des im vollgeladenen Zustand herrschenden Widerstandswerts.
Wenn der Zündschalter abgeschaltet ist, geht der Mikrocomputer 23 in einen Schlafmodus, in welchem eine minimale Anzahl von Verarbeitungsschritten mittels eines von der Batterie 13 gelieferten Ruhestroms durchgeführt werden. Sobald der Zündschalter eingeschaltet wird, wacht der Mikrocomputer 23 auf, um in einen normalen, aktiven Modus überzugehen.
Als nächstes erfolgen allgemeine Erläuterungen zum Ladewirkungsgrad der Batterie 13 und zu einem Verfahren für die Berechnung des Ladewirkungsgrads beim Aufladen der Batterie 13.
Wenn die Batterie 13 bei einer vorgegebenen Ladespannung VT geladen wird, durchbricht das Anlegen der vorgegebenen Ladespannung VT eine isolierende Passivierungsschicht, die an den Polen der Batterie 13 während einer Betriebspause der Batterie 13 gebildet worden ist. Die Passivierungsschicht nimmt unter dem Einfluss der vorgegebenen Ladespannung VT allmählich immer weiter ab.
Wie in Fig. 3 veranschaulicht, fließt ein der vorgegebenen Ladespannung VT entsprechender Ladestrom ICHG nicht gleichzeitig mit dem Ladebeginn der Batterie 13. Der Ladestrom ICHG wächst mit zunehmender Durchbrechung der Passivierungsschicht und der damit einhergehenden höheren Leitfähigkeit der Batteriepole auf den der vorgegebenen Ladespannung VT entsprechenden Wert an.
Während der Ladestrom ICHG der Batterie 13 auf den der vorgegebenen Ladespannung VT entsprechenden Wert anwächst, befindet sich der Ladestrom ICHG auf einem niedrigeren Niveau, so dass keine Abnahme des Ladewirkungsgrads infolge eines in der Batterie 13 entstehenden Gases auftritt. Somit wird die Batterie 13 effektiv mit dem Ladestrom aufgeladen, bis der Ladestrom ICHG den Wert erreicht, der der vorgegebenen Ladespannung VT entspricht.
Nachdem der Ladestrom ICHG den der vorgegebenen Ladespannung VT entsprechenden Wert erreicht hat, ist andererseits die Passivierungsschicht vollständig durchbrochen, so dass keine Wirkung der Passivierungsschicht mehr besteht. Beim Anliegen der vorgegebenen Ladespannung VT erfolgt der Ladestrom ICHG der Batterie 13 durch eine erhöhte Impedanz, die zu einer Spannungserhöhung ΔE0 einer inneren Quellspannung E0 der Batterie 13 und einem Innenwiderstand R+Rpol der Batterie 13 gehört.
Bis der Ladestrom ICHG der Batterie 13 mit zunehmender Durchbrechung der Passivierungsschicht den der vorgegebenen Ladespannung VT entsprechenden Maximalwert erreicht, wächst die innere Quellspannung E0 um den sehr kleinen Wert ΔE0 an. Somit ist der Widerstand der Batterie 13 im wesentlichen gleich dem Innenwiderstand R+Rpol der Batterie 13.
Wenn andererseits auf den Polen der Batterie 13 keine Passivierungsschicht gebildet ist, fließt der der vorgegebenen Ladespannung VT entsprechende Ladestrom ICHG unmittelbar nach dem Ladebeginn. Somit wird der Widerstand der Batterie 13 unmittelbar nach dem Ladebeginn im wesentlichen gleich dem Innenwiderstand R+Rpol der Batterie 13.
Wenn an den Polen der Batterie 13 keine Passivierungsschicht gebildet ist, beginnt somit die Ladung der Batterie 13 unmittelbar nach dem Anlegen der vorgegebenen Ladespannung VT. Wenn an den Polen der Batterie 13 eine Passivierungsschicht gebildet ist, beginnt die Ladung der Batterie 13, nachdem die Passivierungsschicht durch das Anlegen der vorgegebenen Ladespannung VT vollständig durchbrochen worden ist, so dass der Ladestrom ICHG der Batterie 13 den der vorgegebenen Ladespannung VT entsprechenden Maximalwert erreicht hat. Dementsprechend lässt sich die Batterie 13 durch eine in Fig. 4 veranschaulichte Ersatzschaltung darstellen, die in Reihe einen ohmschen Widerstand R0, einen Polarisationswiderstand Rpol0 und eine Spannungsquelle E0 aufweist.
Während des Ladens der Batterie 13 beim Anliegen der vorgegebenen Ladespannung VT wächst die innere Quellspannung E0 um einen Zuwachs ΔE0, so dass R0+Rpol0 auf den Wert R'+Rpol' (R' < R0, Rpol' < Rpol0) abnimmt.
Es darf angenommen werden, dass der Zuwachs ABO durch eine Impedanzzunahme RE0 in der Batterie bedingt ist. Somit ändert sich, wie in Fig. 5 veranschaulicht, das Ersatzschaltbild für die Batterie 13 in eine Schaltung, die in Reihe eine innere Spannungsquelle E0, einen Impedanzzuwachs RE0, einen ohmschen Widerstand R' und einen Polarisationswiderstand Rpol' aufweist.
Wenn der Ladewirkungsgrad einen Idealwert von 100% hat, wird eine gesamte elektrische Ladungsmenge, die der Batterie 13 zugeführt wird, vollständig zum Aufladen der Batterie 13 verwendet. Bei der in Fig. 5 gezeigten Ersatzschaltung reduziert ΔE0 einen Spannungsabfall, der durch den ohmschen Widerstand und den Polarisationswiderstand bedingt ist.
Mithin wird folgende Gleichung bezüglich des Batterie- Innenwiderstandes der Batterie 13 gewonnen.
RE0 + R' + Rpol' = R0 + Rpol0
(RE0 + R' + Rpol') × ICHG = (R0 + Rpol0) × ICHG0
Zu Beginn des Ladens der Batterie 13 ist der Batterie-Innenwiderstand (R0+Rpol0) konstant. Deshalb ist während des Ladens der Batterie 13 der Batterie-Innenwiderstand (RE0+R'+Rpol') ebenfalls konstant.
Jedoch beträgt in Wirklichkeit der Ladewirkungsgrad der Batterie 13 nicht 100%. Denn das Laden der Batterie 13 erzeugt Sauerstoff- und Wasserstoffgase, die zu H₂O umgewandelt werden, so dass eine an die Batterie 13 gelieferte elektrische Ladungsmenge teilweise nicht in der Batterie 13 gespeichert wird.
Infolge der Gasentstehung wächst der Batterie- Innenwiderstand der Batterie 13 um einen der Gaserzeugung entsprechenden Wert RGAS an. Das heißt, der Batterie- Innenwiderstand wird zu RE0+R'+Rpol'+RGAS.
Außerdem nimmt die Gaserzeugung zu, solange das Laden der Batterie 13 auf deren voll geladenen Zustand voranschreitet, so dass der Gaswiderstand RGAS sich mit dem Ladezustand der Batterie 13 ändert. Fig. 6 zeigt den Innenwiderstand der Batterie 13, der sich während einer Ladezeit beim Laden der Batterie 13 mit konstanter Spannung ändert. Ausgehend vom Wert R0+Rpol0, d. h. einem Widerstandswert bei Ladebeginn, nimmt bis zum Erreichen des vollgeladenen Zustands der Batterie 13 deren Batterie-Innenwiderstand um den Wert RGAS zu.
Somit erhöht sich beim Laden der Batterie 13 mit konstanter Spannung, nämlich der vorgegebenen Ladespannung VT, der Innenwiderstand (R"+Rpol") der Batterie von dem bei Ladebeginn herrschenden Widerstandswert R0+Rpol0, bis die Batterie 13 ihren vollständig geladenen Zustand erreicht.
Deshalb ist der in die Batterie 13 geflossene Strom ICHG (nachstehend ICHG(gemessen) genannt) größer als der Strom ICHG, der für die Aufladung der Batterie 13 genutzt wird (nachstehend ICHG(effektiv) genannt). Der Unterschied zwischen ICHG(gemessen) und ICHG(effektiv) ist durch einen Stromwert IGAS gegeben, der der oben genannten Gaserzeugung der Batterie 13 entspricht, wie durch folgende Gleichung dargestellt.
ICHG(gemessen) = ICHG(effektiv) + IGAS
Der Ladewirkungsgrad der Batterie 13 ergibt sich aus folgender Gleichung.
Ladewirkungsgrad = [ICHG(effektiv)/ICHG(gemessen)] × 100%
Der Stromwert ICHG(gemessen) kann aus einem Ausgangssignal des Stromsensors 15 gewonnen werden. Jedoch kann der Stromwert ICHG(effektiv) nicht tatsächlich gemessen werden, so dass auch IGAS nicht ermittelt werden kann. Deshalb ist eine weitere messbare Größe erforderlich, um IGAS zu ermitteln.
Je größer der Widerstand RGAS wird, desto kleiner wird der Strom ICHG(effektiv). Wenn die Batterie 13 ihren vollständig geladenen Zustand erreicht, in dem der Widerstand RGAS maximal wird, wird nahezu der gesamte Strom ICHG zur Gaserzeugung verwendet, so dass die Batterie 13 nicht mehr geladen wird.
Das heißt, dass im vollständig geladenen Zustand eine an die Batterie 13 gelieferte elektrische Leistung zur Gaserzeugung verwendet wird, so dass der Ladewirkungsgrad null ist.
An jedem beliebigen Punkt während des Ladens der Batterie 13 steht RGAS für einen Wert, der nicht in die Batterie 13 geladen wird. Mithin betrifft das Verhältnis von RGAS zu RGASf, d. h. RGAS am vollständig geladenen Punkt, einen Abfall des Ladewirkungsgrads der Batterie 13.
Wenn der Ladewirkungsgrad 100% beträgt, ist der Batterie- Innenwiderstand (RE0+R'+Rpol') gleich dem zu Ladebeginn herrschenden Wert R0+Rpol0.
Der Batterie-Innenwiderstand der Batterie 13 ist an jedem beliebigen Punkt während des Ladens der Batterie 13 durch R"+Rpol" gegeben. Somit wird folgende Gleichung erhalten.
RGAS" = (R" + Rpol") - (R0 + Rpol0)
Am Punkt vollständiger Ladung der Batterie 13 ist der Batterie-Innenwiderstand (RE0+R'+Rpol') vernachlässigbar klein gegenüber RGAS. Das heißt:
RGAS >> RE0 + R' + Rpol
Andererseits ist im vollständig geladenen Zustand der Batterie 13 der Batterie-Innenwiderstand (Rf+Rpolf) gleich dem vorstehenden Ausdruck (RE0+R'+Rpol'+RGAS).
Rf + Rpolf = RE0 + R' + Rpol' + RGAS
Somit gilt im vollständig geladenen Zustand der Batterie 13:
RGAS >> RE0 + R' + Rpol', und
Rf + Rpolf = RE0 + R' + Rpol' + RGAS
Mithin wird folgende Formel erhalten.
Rf + Rpolf = RGAS
Dies zeigt, dass der im vollständig geladenen Zustand herrschende Widerstand (Rf+Rpolf) durch RGASf ersetzt wird.
Deshalb wird RGAS"/RGASf wie folgt gewonnen:
[(R" + Rpol") - (R0 + Rpol0)]/(Rf + Rpolf)
Deshalb wird ein Ladeabfallverhältnis durch folgenden Ausdruck erhalten.
[(R" + Rpol1") - (R0 + Rpol0)]/(Rf + Rpolf)
Das Ladeabfallverhältnis wird von 1 (Eins) abgezogen, um den Ladewirkungsgrad der Batterie 13 zu gewinnen. Das heißt, der Ladewirkungsgrad (%) der Batterie 13 wird an jedem beliebigen Ladepunkt erhalten durch:
{1 - [(R" + Rpol") - (R0 + Rpol0)]/(Rf + Rpolf)} × 100%
Vorstehend wurden der Ladewirkungsgrad und das Verfahren zum Berechnen des Ladewirkungsgrads der Batterie 13 erörtert.
Als nächstes wird ein Verfahren zum Ermitteln des Batterie- Innenwiderstands (R+Rpol) der Batterie 13 erörtert. Der Batterie-Innenwiderstand ist notwendig, um den Ladewirkungsgrad der Batterie 13 zu gewinnen. R bezeichnet einen ohmschen Widerstand, und Rpol bezeichnet einen Polarisationswiderstand der Batterie 13.
Wenn auf Polen der Batterie 13 keine Passivierungsschicht gebildet ist, gilt folgende Gleichung bezüglich der vorgegebenen Ladespannung VT, einer inneren Spannungsquelle E, eines Innenwiderstands (R+Rpol) und einer gespeicherten elektrischen Ladungsmenge.
VT - E = (R + Rpol) × ICHG
Somit wird der Innenwiderstand (R+Rpol) der Batterie 13 wie folgt gewonnen:
(R + Rpol) - (VT - E)/ICHG
Als nächstes wird erörtert, wie eine vor dem Ladebeginn bestehende Batterie-Quellspannung E der Batterie 13 ermittelt wird. Der Wert E ist erforderlich, um einen Batterie- Innenwiderstand (R+Rpol) zu gewinnen.
Die vor Ladebeginn bestehende Batterie-Quellspannung E der Batterie 13 ist gleich einer Leerlaufspannung OCV (open circuit voltage) in dieser Phase.
Deshalb wird nachstehend ein Verfahren zum Ermitteln der vor Ladebeginn bestehenden Batterie-Quellspannung E der Batterie 13 erörtert.
Zuerst werden während des Entladens der Batterie 13 ein Entladestrom I und eine Klemmenspannung V der Batterie 13 mittels des Stromsensors 15 und des Spannungssensors 17 periodisch gemessen. Ausgangssignale des Stromsensors 15 und des Spannungssensors 17 werden - nach einer Analog-Digital- Wandlung durch die Schnittstellenschaltung 21 - gespeichert. Die gemessenen Daten werden verwendet, um einen ohmschen Widerstand R und eine Spannungs-Strom-Kennlinie zu berechnen, die mit dem ohmschen Widerstand R der Batterie 13 zusammenhängt, aber keine Polarisationswirkung der Batterie 13 umfasst.
Außerdem wird eine Spannungs-Strom-Kennlinie, die eine Polarisationswirkung der Batterie 13 umfasst, aus den Daten einer Klemmenspannung V und eines Entladestroms I berechnet, die während der Entladung gemessen werden, insbesondere während einer Zeitspanne abnehmenden Stroms der Entladung der Batterie 13.
Dann wird aus der keine Polarisationswirkung umfassenden Spannungs-Strom-Kennlinie und der eine Polarisationswirkung der Batterie 13 umfassenden Spannungs-Strom-Kennlinie eine geschätzte Leerlaufspannung Vn der Batterie 13 berechnet.
Als erstes wird nachstehend eine allgemeine Kennlinie der Batterie erörtert.
Ein 12 V-Auto, ein 42 V-Auto, ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug enthält eine einen hohen Strom erfordernde Last, wie zum Beispiel einen Anlassermotor, einen Motorgenerator, einen Fahrmotor usw. und Beispiele für die Spannungs-Strom-(V- I-)Kennlinie einer Batterie zum Liefern der elektrischen Energie an diese Lasten sind in den Fig. 7 und 8 gezeigt.
Die Spannungs-Strom-Kennlinie der Batterie kann durch eine lineare Gleichung V = aI + b approximiert werden. Um jedoch den Einfluss der Nicht-Linearität des Polarisationsanteils auf die Kennlinie zu berücksichtigen, wird - wie in Fig. 8 gezeigt - bei der vorliegenden Ausführungsform eine quadratische Näherungsgleichung hoher Korrelation verwendet: V = aI² + bI + c. Die Koeffizienten dieser Formel können durch ein Verfahren zur Minimierung der Fehlerquadrate ermittelt werden.
Beim Betreiben der einen hohen Strom erfordernden Last wächst ein beim Entladen der Batterie fließender Entladestrom zunächst monoton an, überschreitet dabei einen vorgegebenen Wert und geht dann monoton vom Maximalwert auf den vorgegebenen Wert oder darunter zurück. Der Entladestrom und die Klemmenspannung der Batterie werden in dieser Zeit periodisch gemessen, um die Ist-Werte zu gewinnen, die den Zusammenhang zwischen der Klemmenspannung und dem Entladestrom angeben. Aufgrund der Daten werden - wie im Graphen nach Fig. 10 gezeigt - Kennlinien (nachstehend auch als Näherungskurven bezeichnet) durch zwei Näherungsgleichungen M1 und M2 dargestellt. Die erste Näherungsgleichung M1 stellt die Spannungs-Strom-Kennlinie für einen zunehmenden Entladestrom, der nach Beginn der Entladung auf einen Maximalwert zunimmt, und die Spannungs-Strom-Kennlinie für einen abnehmenden Strom, der von dem Maximalwert abfällt, dar. Die in Fig. 10 beschriebene Gleichung ist ein Beispiel für eine konkrete, aus den Ist-Werten gewonnene Näherungsgleichung. Nachstehend wird der Unterschied zwischen diesen beiden Näherungsgleichungen M1 und M2 analysiert.
Im Fall der ersten Näherungsgleichung M1, die den zu Beginn der Entladung herrschenden Polarisationswiderstandsanteil als Norm verwendet, nimmt der Polarisationswiderstandsanteil allmählich zu, sobald nach Beginn der Entladung der Strom zunimmt. Wenn der Strom den Maximalwert erreicht, erreicht der Polarisationswiderstandsanteil seine Spitze. Danach löst sich mit abnehmendem Strom die Polarisation allmählich auf. Jedoch löst sich der Polarisationswiderstandsanteil in Wirklichkeit nicht proportional zur Stromabnahme auf, sondern die Reaktion ist verzögert. Deshalb zeigt sich in der Näherungsgleichung M2 nicht dieselbe Spannungs-Strom-Kennlinie wie bei einer Stromzunahme, sondern es entsteht ein größerer Spannungsabfall. Somit werden zwei Näherungsgleichungen M1 und M2 gewonnen, die dem Fall zunehmender und abnehmender Spannung entsprechen.
Nun folgt unter Bezugnahme auf die Fig. 11 bis 13 eine Erläuterung des Verfahrens zum Messen des ohmschen Widerstands einer Batterie unter Verwendung zweier Näherungskurvengleichungen M1 und M2 der obigen Spannungs- Strom-Kennlinie.
Zuerst wird in einem Bereich der Ist-Werte auf der durch M1 dargestellten Näherungskurve ein Punkt A festgelegt. Vom Schnittpunkt C1 der Näherungskurve M1 mit der Ordinatenachse des Graphen nach Fig. 11 wird ein Spannungsabfall LV1 zum Punkt A entnommen. Der Wert, der sich ergibt, wenn AV1 durch den am Punkt A geltenden Strom 11 geteilt wird, ist ein zusammengesetzter Widerstand, der die Summe aus dem ohmschen Widerstand R und dem Polarisationswiderstandsanteil Rpol1 ist. Das heißt:
R + Rpol1 = ΔV1/I1
Ebenso wird - wie aus dem Graphen der Fig. 11 ersichtlich - in einem Bereich der Ist-Werte auf der durch M2 dargestellten Näherungskurve ein Punkt B festgelegt. Vom Schnittpunkt C2 der Näherungskurve M2 mit der Ordinatenachse des Graphen nach Fig. 11 wird ein Spannungsabfall ΔV2 zum Punkt A entnommen. Der Wert, der sich ergibt, wenn ΔV2 durch den am Punkt B geltenden Strom 12 geteilt wird, ist ein zusammengesetzter Widerstand, der die Summe aus dem ohmschen Widerstand R und dem Polarisationswiderstandsanteil Rpol2 ist. Das heißt:
R + Rpol2 = ΔV2/I2
Der Unterschied ΔR zwischen den zusammengesetzten Widerständen an den Punkten A und B stellt sich dar als
ΔR = R + Rpol1 - (R + Rpol2) = Rpol1 - Rpol2
Dieser Wert stellt eine Differenz des Polarisationswiderstands an den Punkten A und B dar. Daher ist ersichtlich, dass der ohmsche Widerstand R sich während der Entladung nicht ändert.
Im übrigen liegt - wie in Fig. 12 gezeigt - auf der Näherungskurve M1 ein Punkt A' mit einem Wert (R + Rpol1'), der gleich dem zusammengesetzten Widerstand (R + Rpol2) an dem auf der Näherungskurve M2 gewählten Punkt B ist. Ferner liegt - wie in Fig. 13 gezeigt - auf der Näherungskurve M2 ein Punkt B' mit einem Wert (R + Rpol2'), der gleich dem zusammengesetzten Widerstand an dem auf der Näherungskurve M1 gewählten Punkt A ist. Und zwar liegt der Punkt A, wo R + Rpol1' = R + Rpol2 gilt, auf der Näherungskurve M1, wohingegen der Punkt B', wo R + Rpol1 = R + Rpol2' gilt, auf der Näherungskurve M2 liegt.
Kurz gesagt sind unter der Annahme, dass der Strom und die Spannung am Punkt A die Werte I1' und V1' und der Strom und die Spannung am Punkt B' die Werte I2' und V2' haben, die Polarisationswiderstände am Punkt A' mit den Koordinaten (I1', V1') und am Punkt B mit den Koordinaten (I2, V2) zueinander gleich, und die Polarisationswiderstände am Punkt A mit den Koordinaten (I1, V1) und am Punkt B' mit den Koordinaten (I2', V2') sind zueinander gleich.
Nachstehend folgt eine Erläuterung der Vorgehensweise zur Berechnung des Stroms I1' und der Spannung V1' am Punkt A', wobei der Widerstand gleich ist dem zusammengesetzten Widerstand (R + Rpol2) am Punkt B, der als Norm verwendet wird.
Der Spannungsabfall ΔV1' vom Schnittpunkt C1 der Näherungskurve M1 mit der Ordinatenachse zum Punkt A' lässt sich ausdrücken als
ΔV1' = C1 - (a1I1'² + b1I1' + C1) = (R + Rpol2)I1'
Deshalb gilt
- (a1I1' + b1) = R + Rpol2
Somit drückt sich der Strom I1' am Punkt A' aus als
I1' = (b1 + R + Rpol2)/a1
Da R + Rpol2 (= R' + Rpol1') = ΔV2/I2 (= ΔV1'/I1'),
I1' = - [b1 + (ΔV2/I2)]/a1
= - [b1 + (ΔV1'/I1')]/a1
Wie aus vorstehender Gleichung ersichtlich, wird die Spannung V1' am Punkt A' ausgedrückt durch
V1' = a1I1'² + b1I1' + C1
Somit werden die Koordinaten (I1' und V1') des Punkts A' aus bekannten Größen berechnet.
Ebenso werden am Punkt B' der Strom I2' und die Spannung V2', die gleich dem Wert (R + Rpol1) am Punkt A sind, ausgedrückt durch
I2' = - [b2 + (ΔV2/I2)]/a2
= - [b2 + (ΔV1'/I1')]/a2
V2' = a2I2'² + b2I2' + C2
Somit können die Koordinaten (I2', V2') aus bekannten Größen berechnet werden.
ΔV2' stellt den Spannungsabfall vom Schnittpunkt C2 der Näherungskurve M2 mit der Ordinatenachse dar.
Danach wird - wie aus Fig. 12 ersichtlich - die Steigung einer Geraden L1, die den die Koordinaten (I1', V1') besitzenden Punkt A' mit dem die Koordinaten (I2, V2) besitzenden Punkt B verbindet, ermittelt, um den zusammengesetzten Widerstand R1 zu ergeben. Der zusammengesetzte Widerstand R1 wird gewonnen, indem der Spannungsabfall (V1' - V2), der durch den zusammengesetzten Widerstand (zusammengesetzt aus dem ohmschen Widerstand und dem Polarisationswiderstand Rpol2) bedingt ist, durch die Stromdifferenz (I1' - I2) geteilt wird. Das heißt
R1 = (V1' - V2)/(I1' - I2)
Ebenso wird - wie aus Fig. 13 ersichtlich - die Steigung einer Geraden L2, die den die Koordinaten (I2', V2') besitzenden Punkt B' mit dem die Koordinaten (I1, V1) besitzenden Punkt A verbindet, ermittelt, um den zusammengesetzten Widerstand R2 bereitzustellen. Der zusammengesetzte Widerstand R2 wird gewonnen, indem der Spannungsabfall (V1' - V2), der durch den zusammengesetzten Widerstand (zusammengesetzt aus dem ohmschen Widerstand und dem Polarisationswiderstand Rpol1) bedingt ist, durch die Stromdifferenz (I1 - I2') geteilt wird. Das heißt
R2 = (V1 - V2')/(I1 - I2')
Jedoch sind die zusammengesetzten Widerstände R1 und R2 nicht identisch mit ohmschen Widerständen. Diese Unannehmlichkeit kann überwunden werden, indem derjenige Spannungsabfall dividiert wird, der den durch den Polarisationswiderstand bedingten Anteil ausschließt.
Bezüglich Punkt B sollte unter der Annahme, dass der zusammengesetzte Widerstand R1 durch
R1 = R1' + Rpol2 = R1' + Rpol1'
ausgedrückt wird, der Spannungsabfall, der entsteht, wenn der einer Differenz zwischen dem Strom I1' am Punkt A' und dem Strom I2 am Punkt B entsprechende Strom durch den Widerstand R1' fließt, bei der Spannung am Punkt A' zunehmend durch den Spannungsabfall kompensiert werden, der entsteht, wenn ein einer Differenz zwischen dem Strom I1' am Punkt A' und dem Strom I2 am Punkt B entsprechender Strom durch den Polarisationswiderstand Rpol1' (oder Rpol2) fließt, und daher gilt folgende Gleichung.
R1' (I1' - I2) = [V1' + Rpol1' (I1' - I2)] - V2
Daher gilt
R1' (I1' - I2) = (V1' - V2) + Rpol1' (I1' - I2)
Da Rpol1' = ΔV1'/I1' - R1', gilt nun
R1' (I1' - I2) = (V1' - V2) + (ΔV1'/I1' - R1') (I2' - I2)
2R1' (I1' - I2) = (V1' - V2) + ΔV1'/I1' (I1' - I2)
Als Ergebnis folgt
R1' = [(V1' - V2) + (ΔV1'/I1')(I1' - I2)]/[2(I1' - I2)]
Im übrigen sei bemerkt, dass (ΔV1'/I1') durch (ΔV2/I2) ersetzt werden kann.
Ebenso sollte bezüglich Punkt A unter der Annahme, dass der zusammengesetzte Widerstand R2 durch
R2 = R2' + Rpol1 = R2' + Rpol2'
ausgedrückt wird, der Spannungsabfall, der entsteht, wenn der einer Differenz zwischen dem Strom I1 am Punkt A und dem Strom I2' am Punkt B' entsprechende Strom durch den Widerstand R2' fließt, bei der Spannung am Punkt B' zunehmend durch den Spannungsabfall kompensiert werden, der entsteht, wenn ein einer Differenz zwischen dem Strom I1 am Punkt A und dem Strom I2' am Punkt B' entsprechender Strom durch den Polarisationswiderstand Rpol2' (oder Rpol1) fließt, und daher gilt die folgende Gleichung.
R2' (I1 - I2') = V1 - [V2' - Rpol2' (I1 - I2')]
Daher gilt
R2' (I1 - I2') = (V1 - V2') + Rpol2' (I1 - I2')
Da Rpol2' = ΔV2'/I2' - R2', gilt nun
R2' (I1 - I2') = (V1 - V2') + (ΔV2'/I2' - R2') (I1 - I2')
2R2' (I1 - I2') = (V1 - V2') + ΔV2'/I2' (I1 - I2')
Als Ergebnis folgt
R2' = [(V1 - V2') + (ΔV2'/I2') (I1 - I2')]/(2(I1 - I2')]
Im übrigen sei bemerkt, dass (ΔV2'/I2') durch (ΔV1/I1) ersetzt werden kann.
Die beiden Widerstandswerte R1' und R2' wurden bezüglich der beiden Punkte A und B gewonnen, indem die unterschiedlichen Polarisationswiderstände (Rpol1' = Rpol2) und (Rpol1 = Rpol2') und Spannungsabfälle ΔV1' (ΔV1) und ΔV2' (ΔV2) gegenüber den verschiedenen Schnittpunkten C1 und C2 verwendet wurden, und können daher keine ohmschen Widerstände sein. Mithin kann der wirkliche ohmsche Widerstand R gewonnen werden, indem der gewichtete Durchschnitt der beiden Widerstände,
R = (R1' + R2')/2,
ermittelt wird.
Die neueren Datensätze der Klemmenspannungen und Entladeströme für eine vorgegebene Zeitspanne werden zur Sammlung in einem Speicher, zum Beispiel einem als wiederbeschreibbare Speichereinrichtung dienenden RAM, abgelegt. Unter Verwendung der auf diese Weise gesammelten Datensätze der Klemmenspannungen und Entladeströme werden mittels des Verfahrens zur Minimierung der Fehlerquadrate zwei Näherungskurven M1 und M2 gewonnen, die den Zusammenhang zwischen der Klemmenspannung und dem Entladestrom zeigen. Sie bestehen aus der ersten Näherungskurve M1, die eine Änderung der Spannung für zunehmenden Entladestrom zeigt, dargestellt durch eine quadratische Gleichung V1(I) = a1I² + b1I + C1, und der zweiten Näherungskurve M2, die eine Änderung der Spannung für abnehmenden Entladestrom zeigt, dargestellt durch eine quadratische Gleichung V2(I) = a2I² + b2I + C2.
Der erste Punkt A und der zweite Punkt B werden auf der ersten Näherungskurve M1 bzw der zweiten Näherungskurve M2 festgelegt. Im vorliegenden Fall werden die Punkte A und B vorzugsweise innerhalb eines Bereichs gewählt, in dem Ist-Werte der Klemmenspannung und des Entladestroms liegen, die zur Gewinnung der Näherungskurven verwendet werden. Auf diese Weise werden die entsprechenden Punkte nicht an Stellen angenommen, die von den gewählten Punkten weit entfernt sind. Der erste Punkt A und der zweite Punkt B werden vorzugsweise zu beiden Seiten eines Punkts gewählt, der eine Maximalstelle maximalen Polarisationswiderstands darstellt. Somit werden die angenommenen Punkte zu beiden Seiten der Maximalstelle gewählt, damit die Genauigkeit des später ermittelten ohmschen Widerstands erhöht werden kann.
Der erste angenommene Punkt A' wird auf der ersten Näherungskurve M1 angenommen, und der zweite angenommene Punkt B' wird auf der zweiten Näherungskurve M2 angenommen. Wie zuvor beschrieben, bietet der erste angenommene Punkt A' den gleichen Widerstand wie der zweite zusammengesetzte Widerstand R2, der aus dem ohmschen Widerstand der Batterie und dem zweiten Polarisationswiderstandsanteil Rpol2 zusammengesetzt ist und den zweiten Spannungsabfall ΔV2 erzeugt, wenn der dem zweiten Punkt B entsprechende zweite Entladestrom 12 fließt. Der zweite angenommene Punkt B' liefert den gleichen Widerstand wie der erste zusammengesetzte Widerstand R1, der aus dem ohmschen Widerstand der Batterie und dem ersten Polarisationswiderstandsanteil Rpol1 zusammengesetzt ist und den ersten Spannungsabfall ΔV1 erzeugt, wenn der dem ersten Punkt A entsprechende erste Entladestrom 11 fließt.
Wenn die beiden angenommenen Punkte A' und B' zweckmäßig angenommen werden konnten, wird die erste Steigung R1 der Geraden L1, die den zweiten Punkt B mit dem ersten angenommenen Punkt A' verbindet, um den Spannungsabfall Rpol2(I1' - I2), der durch den zweiten Polarisationswiderstandsanteil Rpol2 bedingt ist und von dem zweiten Entladestrom 12 und dem am ersten angenommenen Punkt A' herrschenden Entladestrom I1' erzeugt wird, korrigiert, wodurch die erste korrigierte Steigung R1' gewonnen wird, die den Spannungsabfall ausschließt, der auf den zweiten Polarisationswiderstandsanteil Rpol2 zurückzuführen ist. Ebenso wird die zweite Steigung R2 der Geraden L2, die den ersten Punkt A mit dem zweiten angenommenen Punkt B' verbindet, um den Spannungsabfall Rpol2(I1 - I2'), der durch den ersten Polarisationswiderstandsanteil Rpol2 bedingt ist und von dem ersten Entladestrom 11 und dem am zweiten angenommenen Punkt B' herrschenden Entladestrom I2' erzeugt wird, korrigiert, wodurch die zweite korrigierte Steigung R2' gewonnen wird, die den Spannungsabfall ausschließt, der auf den ersten Polarisationswiderstandsanteil Rpol1 zurückzuführen ist.
Die erste korrigierte Steigung R1' und die zweite korrigierte Steigung R2' werden summiert, und die Summe wird gemittelt, um eine Durchschnittssteigung zu ergeben. Die auf diese Weise gewonnene Durchschnittssteigung wird als ohmscher Widerstand der Batterie gemessen.
Der auf diese Weise gewonnene ohmsche Widerstand R der Batterie 13 wird mit einem Entladestrom I multipliziert, der der zuletzt gemessene ist, um eine durch den ohmschen Widerstand bedingte Klemmenspannung V zu erhalten. Eine solche Spannung V wird für einen Entladestrom I an jedem Messpunkt erhalten. Die Mehrzahl von Datensätzen für V und I liefern über ein Verfahren zur Minimierung der Fehlerquadrate eine lineare Gleichung VR = aR I +bR. Die Gleichung bezieht sich nur auf den ohmschen Widerstand ohne Polarisationswirkung der Batterie 13.
Als nächstes werden in einem Bereich abnehmenden Entladestroms I der Batterie 13 eine Mehrzahl von Datensätzen von Ist-Werten V und I verwendet, um über ein Verfahren zur Minimierung der Fehlerquadrate eine lineare Gleichung V = aI + b zu gewinnen. Die erhaltene Gleichung schließt Polarisationseffekte der Batterie 13 ein.
Dann wird auf der Geraden VR = aR I + bR, die keine Polarisationseffekte berücksichtigt, ein gemessener Satz von Koordinaten (V1, I1) gewählt. Außerdem wird die Gerade V = aI + b, die Polarisationseffekte berücksichtigt, in der Weise parallelverschoben, dass sie durch den Punkt (V1, I1) verläuft. Dadurch wird eine verschobene Gerade V = aI + b' erhalten.
Aus der Gleichung V' = aI + b' wird eine geschätzte Spannung Vn erhalten. Die geschätzte Spannung Vn wird zu einem vorgegebenen Restspannungsabfall e0 addiert, um eine korrigierte Spannung Vn' zu erhalten.
Die korrigierte Spannung Vn' ist gleich einer Leerlaufspannung OCV (open circuit voltage) vor dem Laden der Batterie 13.
Eine Leerlaufspannung OCV vor dem Laden der Batterie 13 kann durch ein anderes Verfahren ermittelt werden. Zum Beispiel wird ein Entladestrom der Batterie 13 periodisch gemessen, um den Entladestrom über der Zeit zu integrieren und dadurch eine in der Batterie 13 gespeicherte elektrische Ladungsmenge zu ermitteln. Die gespeicherte elektrische Ladungsmenge wird mit einer im ROM 23c abgelegten Bezugstabelle verglichen, so dass eine Leerlaufspannung OCV gewonnen werden kann.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die Fig. 14 und 15 ein Verfahren erörtert, das durch die CPU 23a gemäß einem im ROM 23c gespeicherten Steuerprogramm durchgeführt wird.
Der Mikrocomputer 23 startet, wenn aus der Batterie 13 elektrische Energie zugeführt wird. Wie in Fig. 14 veranschaulicht, bestimmt die CPU 23a, ob die Batterie 13 sich in ihrem Entlademodus befindet (Schritt S1), zum Beispiel durch Bestätigung, dass die Batterie 13 mit einem (nicht dargestellten) Entladestromkreis verbunden ist.
Wenn die Batterie 13 sich nicht in einem Entlademodus befindet (Nein im Schritt S1), geht die Verarbeitung zu einem später erörterten Schritt S5 über. Wenn die Batterie 13 sich in einem Entlademodus befindet (Ja im Schritt S1), erfolgt ein Verarbeitungsschritt zum Berechnen einer Leerlaufspannung OCV vor dem Laden (Schritt S2). Die berechnete Leerlaufspannung OCV der Batterie 13 vor dem Laden wird als innere Quellspannung E der Batterie 13 im RAM 23b gespeichert (Schritt S3), und Schritt S4 stellt wiederum fest, ob die Batterie 13 sich in einem Entlademodus befindet.
Wenn die Batterie 13 sich in einem Entlademodus befindet (Ja im Schritt S4), kehrt die Verarbeitung zu Schritt S2 zurück. Wenn die Batterie 13 sich nicht in einem Entlademodus befindet (Nein im Schritt S4), kehrt die Verarbeitung zu Schritt S5 zurück.
Wenn die Batterie sich in den Schritten S1 und S4 nicht in einem Entlademodus befindet, geht die Verarbeitung zu Schritten einschließlich des Schritts S5 über, in denen ein Ladewirkungsgrad und eine gespeicherte elektrische Ladungsmenge der Batterie 13 während eines Ladevorgangs ermittelt werden.
Im Schritt S5 werden Ausgangssignale des Stromsensors 15 und des Spannungssensors 17 über die Schnittstellenschaltung 21 als A/D-gewandelte Daten geliefert. Aus digitalen Spannungs- und Stromwerten wird eine elektrische Ladungsmenge, die vom Ladebeginn bis zu einem gegenwärtigen Punkt in der Batterie 13 gespeichert worden ist, berechnet (Schritt S6).
Die im Schritt S6 berechnete elektrische Ladungsmenge wird zu der im RAM 23b abgelegten Batteriequellspannung E hinzugefügt (Schritt S7). Ausgangssignale des Stromsensors 15 und des Spannungssensors 17 werden wiederum über die Schnittstellenschaltung 21 als A/D-gewandelte Daten geliefert (Schritt S8). Schritt S9 stellt fest, ob der jüngste gewonnene Stromwert größer als ein vorangehender ist. Wenn die Feststellung negativ ist (Nein im Schritt S9), geht die Verarbeitung zu einem weiter unten beschriebenen Schritt S12 über.
Wenn andererseits die Feststellung positiv ist (Ja im Schritt S9), wird eine elektrische Ladungsmenge, die in der Batterie 13 während einer Zeitspanne von einem vorherigen Messpunkt bis zu einem gegenwärtigen Messpunkt gespeichert worden ist, unter Verwendung von Ausgangssignalen des Stromsensors 15 und des Spannungssensors 17 berechnet (Schritt S10).
Dann wird die im Schritt S10 berechnete elektrische Ladungsmenge zu der im RAM 23b abgelegten Batteriequellspannung E hinzugefügt (Schritt S11), und die Verarbeitung kehrt zu Schritt S8 zurück.
Es wird angemerkt, dass zur Berechnung einer gespeicherten elektrischen Ladungsmenge in den Schritten S6 und S10 ein Ladewirkungsgrad von 100% angenommen wird.
Wenn in Schritt S9 das jüngste Ausgangssignal des Stromsensors 15 nicht größer als ein vorheriges ist, schreitet die Verarbeitung zu Schritt S12. Im Schritt S12 wird - wie in Fig. 15 veranschaulicht - ein Batterie-Innenwiderstand R0 + Rpol0 der Batterie 13 aus einem Strom ICHG0, einer vorgegebenen Ladespannung VT und einer inneren Quellspannung E0 zu Ladebeginn wie folgt gewonnen:
(R0 + Rpol0) = (VT - E0)/ICHG0
Der auf diese Weise gewonnene Batterie-Innenwiderstand Ro + Rpol0 wird im RAM 23b als Batterie-Innenwiderstand gespeichert (Schritt S13), bevor die Verarbeitung zu Schritt S14 übergeht.
Im Schritt S14 werden ein gegenwärtiger Ladestrom ICHGA und eine gegenwärtige vorgegebene Ladespannung VT aus Ausgangssignalen des Stromsensors 15 und des Spannungssensors 17 nach Ladebeginn gewonnen (Schritt S14). Die innere Batteriequellspannung E, die zuvor im RAM 23b abgelegt wurde, wird als E' bezeichnet. Ein Batterie-Innenwiderstand R"+Rpol" nach Ladebeginn wird durch folgende Gleichung erhalten (Schritt S15)
(R" + Rpol") = (VT - E")/ICHGA
Als nächstes ermittelt Schritt S16 den Ladewirkungsgrad, der das Verhältnis der in der Batterie 13 gespeicherten elektrischen Ladungsmenge zu der gesamten in die Batterie 13 geflossenen elektrischen Ladungsmenge ist, aus dem Batterie- Innenwiderstand R"+Rpol" nach dem Ladebeginn, einem für den vollständig geladenen Zustand geltenden Widerstandswert Rf+Rpolf und dem anfänglichen Batterie-Innenwiderstand Ro+Rpol0. Der für den vollständig geladenen Zustand geltende Widerstandswert Rf+Rpolf wurde zuvor im ROM 23c gespeichert. Der Ladewirkungsgrad wird durch folgende Formel erhalten.
(1 - [(R" + Rpol") - (R0 + Rpol0)]/(Rf + Rpolf)} × 100%
Der auf diese Weise erhaltene Ladewirkungsgrad der Batterie 13 wird multipliziert mit einem im Schritt S16 gewonnenen aktuellen Ladestrom ICHGA und der zugehörigen Ladezeit. Dies ergibt eine Ladungsmenge, die seit dem vorhergehenden Abtastzeitpunkt bis zum gegenwärtigen Abtastzeitpunkt in der Batterie 13 gespeichert wurde, und die elektrische Ladungsmenge wird zur Batteriequellspannung E hinzugefügt, die im RAM 23b gespeichert wurde (Schritt S17). Dann stellt Schritt S18 fest, ob das Laden der Batterie 13 sich fortsetzt.
Wenn das Laden der Batterie 13 sich fortsetzt (Ja im Schritt S18), kehrt die Verarbeitung zum Schritt S14 der Fig. 14 zurück. Wenn das Laden der Batterie 13 sich nicht fortsetzt (Nein im Schritt S18), kehrt die Verarbeitung zum Schritt S2 der Fig. 14 zurück.
Wie aus vorstehender Beschreibung hervorgeht, ist in der Einrichtung 1 zum Berechnen der in der Batterie gespeicherten elektrischen Ladungsmenge nach der Ausführungsform der Schritt S12 des Flussdiagramms nach Fig. 15 ein Verarbeitungsschritt, der der in der Kurzfassung der Erfindung beschriebenen Einrichtung 23A zum Berechnen des Anfangswiderstands entspricht, und Schritt S15 der Fig. 15 ist ein Verarbeitungsschritt, der der Einrichtung 23B zum Berechnen des Widerstands bei Aufladung entspricht. Außerdem ist Schritt S16 ein Verarbeitungsschritt, der der Einrichtung 23C zum Berechnen der Widerstandsdifferenz und der Einrichtung 23D zum Berechnen des Widerstandsverhältnisses entspricht.
Darüber hinaus entspricht die in der Kurzfassung der Erfindung beschriebene Messeinrichtung A dem Stromsensor 15, dem Spannungssensor 17 und einer Einrichtung zum Verarbeiten von Ausgangssignalen des Stromsensors 15 und des Spannungssensors 17, die die Analog/Digital-Wandlung und das Speichern der Ausgangssignale in den Schritten S2, S5, S8 und S14 gemäß Fig. 14 oder 15 beinhaltet.
Außerdem entspricht die in der Kurzfassung der Erfindung beschriebene Einrichtung 23E zum Berechnen des aktiven Zustands dem Schritt S9 der Fig. 14, und die Einrichtung 23F zum Berechnen der elektrischen Ladungsmenge in einer Übergangszeit entspricht dem Schritt S10 der Fig. 14.
Als nächstes werden Arbeitsschritte der in dieser Weise ausgebildeten Einrichtung 1 zum Berechnen der in der Batterie gespeicherten elektrischen Ladungsmenge nach der vorliegenden Ausführungsform erörtert.
Als erstes wird anhand von Verbindungszuständen von Lade- und Entladestromkreisen mit der Batterie 13 festgestellt, ob die Batterie 13 sich in einem Lademodus befindet. Wenn festgestellt wird, dass die Batterie 13 sich in einem Entlademodus befindet, wird eine Leerlaufspannung OCV, die einer Spannung zwischen einem Klemmenpaar der vor Ladebeginn in einem Gleichgewichtszustand befindlichen Batterie 13 entspricht, unter Berücksichtigung von während des Entladens gemessenen Klemmenspannungen V und Entladeströmen I der Batterie berechnet.
Wenn danach das Laden der Batterie 13 nach dem Entladen beginnt, werden der Ladewirkungsgrad und die gespeicherte elektrische Ladungsmenge der Batterie 13 berechnet.
Wenn in einer Phase unmittelbar nach dem Laden der Ladestrom ICHG zunimmt, wird vermutet, dass eine auf den Polen der Batterie gebildete isolierende Passivierungsschicht allmählich durchbrochen wird. Da der Ladestrom in dieser Phase klein ist, kommt es in der Batterie zu keiner Gasentwicklung. Somit ergibt eine Integration des mit der entsprechenden Ladezeit multiplizierten Ladestroms ICHG eine elektrische Ladungsmenge, die seit dem Ladebeginn in der Batterie 13 gespeichert wurde, und die elektrische Ladungsmenge wird zur anfänglichen inneren Quellspannung E der Batterie 13 hinzugefügt.
Wenn andererseits der Ladestrom ICHG abnimmt, wird vermutet, dass es auf den Polen der Batterie 13 keine isolierende Passivierungsschicht gibt, aber der Ladewirkungsgrad fällt ab, weil in der Batterie Gas entsteht. Deshalb werden der Ladewirkungsgrad und der Ladewirkungsgrad der Batterie im allgemeinen ermittelt, nachdem der Ladestrom ICHG den Maximalwert erreicht hat.
Der Batterie-Innenwiderstand der Batterie 13 wird als Anfangswiderstand (R0 + Rpol0) an einem Punkt ermittelt, an dem der Ladestrom ICHG sein Maximum hat.
Nach der Stelle maximalen Stroms werden ein aktueller Widerstand R" + Rpol" und eine Widerstandsdifferenz (R" + Rpol") - (R0 + Rpol0) periodisch ermittelt, bis das Laden der Batterie 13 abgeschlossen ist.
Außerdem wird ein Abfall des Ladewirkungsgrads als Verhältnis der Widerstandsdifferenz (R" + Rpol") - (R0 + Rpol0) zu dem für vollständige Ladung geltenden Widerstandswert Rf+Rpolf ermittelt. Somit wird der Ladewirkungsgrad an jedem beliebigen Punkt während des Ladens der Batterie durch die Formel 1 - [(R" + Rpol") - (R0 + Rpol0)]/(Rf + Rpolf) erhalten.
Nach Abschluss des Ladens der Batterie 13 stellt eine Integration des Ladestroms ICHG, des Ladewirkungsgrads und der Abtastintervallzeit an jedem Messpunkt eine elektrische Ladungsmenge dar, die in der Batterie 13 während der Abtastzeit gespeichert wurde. Eine Integration der elektrischen Ladungsmenge vom Beginn bis zum Ende des Batterieladens ergibt eine elektrische Gesamtladungsmenge, die in der Batterie 13 gespeichert ist.
Solange das Durchbrechen einer an den Polen der Batterie gebildeten Passivierungsschicht unmittelbar nach Ladebeginn der Batterie stattfindet, wird eine in der Batterie gespeicherte elektrische Ladungsmenge ohne Berücksichtigung des Ladewirkungsgrads der Batterie berechnet. Nach vollendetem Durchbruch der Passivierungsschicht wird eine in der Batterie gespeicherte elektrische Ladungsmenge unter Berücksichtigung des Ladewirkungsgrads der Batterie berechnet.
Wenn andererseits kein Durchbrechen einer auf den Polen der Batterie gebildeten Passivierungsschicht stattfindet oder wenn auf den Polen der Batterie vor Ladebeginn keine Passivierungsschicht gebildet worden ist, befindet sich die Batterie von Anfang an in einem aktiven Zustand. Im aktiven Zustand wird eine in der Batterie gespeicherte elektrische Ladungsmenge unter Berücksichtigung des Ladewirkungsgrads der Batterie berechnet, wie vorstehend erwähnt.
Bei der Einrichtung 1 zum Berechnen der in der Batterie gespeicherten elektrischen Ladungsmenge nach der vorliegenden Ausführungsform werden die elektrische Ladungsmenge, die tatsächlich in der Batterie 13 gespeichert ist, und der Ladewirkungsgrad, der zur Berechnung der gespeicherten elektrischen Gesamtladungsmenge erforderlich ist, in zweckmäßiger Weise aus der Klemmenspannung VT und dem Ladestrom ICHG gewonnen.
Es kann praktisch möglich sein, dass die gespeicherte elektrische Ladungsmenge aufsummiert wird, nachdem der Ladestrom das Maximum erreichte, wenn eine elektrische Energie, die vor dem Punkt des Maximums in die Batterie gespeist wurde, vernachlässigbar klein ist.
Um den ohmschen Widerstand R und die Leerlaufspannung OCV der Batterie 13 zu ermitteln, werden bei der vorliegenden Ausführungsform die beiden Näherungskurven M1 und M2 zur Darstellung von Spannungs-Strom-Kennlinien angewandt, und Punkte A und B werden auf der Näherungskurve M1 bzw M2 gewählt.
Nachstehend wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 16 bis 18 ein zweites Verfahren zum Ermitteln des ohmschen Widerstands R und der Leerlaufspannung OCV der Batterie 13erörtert. Das zweite Verfahren verwendet den Punkt P anstelle der Punkte A und B. Der Punkt P liegt sowohl auf der Näherungskurve M2 als auch auf der Näherungskurve M1, und der Entladestrom hat sein Maximum am Punkt P.
Wie in Fig. 16 veranschaulicht, wird der den Näherungskurven M1 und M2 gemeinsame Punkt P gewählt. Ein vertikaler Abstand vom Schnittpunkt C1 der Näherungskurve M1 zum Punkt P stellt einen Spannungsabfall ΔV1 dar. Der Spannungsabfall wird durch einen ohmschen Widerstand R und einen Polarisationswiderstand Rpol1 verursacht. Das heißt:
R + Rpol1 = ΔV1/Ip
Ip: Stromwert am Punkt P
Als nächstes stellt - wie in Fig. 16 veranschaulicht - ein vertikaler Abstand vom Schnittpunkt C2 der Näherungskurve M2 zum Punkt P einen Spannungsabfall ΔV2 dar. Der Spannungsabfall wird durch einen ohmschen Widerstand R und einen Polarisationswiderstand Rpol2 verursacht. Das heißt:
R + Rpol2 = ΔV2/Ip
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform werden die beiden wahlfreien Punkte A und B innerhalb des Bereichs gewählt, in dem die Ist-Werte der Näherungskurven M1 und M2 liegen. Als Abwandlung hiervon kann jedoch ein einzelner Punkt an dem Punkt P gewählt werden, der dem maximalen Entladestrom der Batterie entspricht, der gemessen wird, um die beiden Näherungskurven M1 und M2 zu gewinnen. Durch Verwendung der gemeinsamen Daten kann die Aufnahme eines Fehlers unterdrückt werden. Unter Bezugnahme auf die Fig. 16 bis 18 wird nachstehend eine Erläuterung dieser Abwandlung gegeben.
Als erstes wird auf den beiden Näherungskurven M1 und M2 ein Punkt P gewählt, der dem Maximalwert des Entladestroms der Batterie entspricht. Ein Spannungsabfall ΔV1 vom Schnittpunkt C1 der Ordinatenachse mit der Näherungskurve M1 zum Punkt P auf den Näherungskurven wird ermittelt. Der Wert, der erhalten wird, wenn der Spannungsabfall ΔV1 durch den am Punkt P vorliegenden Strom Ip dividiert wird, ist ein zusammengesetzter Widerstand, der die Summe aus dem ohmschen Widerstand R und dem Polarisationswiderstandsanteil Rpol1 ist. Das heißt
R + Rpol1 = ΔV1/Ip
Ebenso wird ein Spannungsabfall ΔV2 vom Schnittpunkt C2 der Ordinatenachse mit der Näherungskurve M2 zum Punkt P auf den Näherungskurven ermittelt. Der Wert, der erhalten wird, wenn der Spannungsabfall ΔV2 durch den am Punkt P vorliegenden Strom Ip dividiert wird, ist ein zusammengesetzter Widerstand, der die Summe aus dem ohmschen Widerstand R und dem Polarisationswiderstandsanteil Rpol2 ist. Das heißt
R + Rpol2 = ΔV2/Ip
Die Differenz ΔR zwischen den zusammengesetzten Widerständen am Punkt P lässt sich darstellen als
ΔR = R + Rpol1 - (R + Rpol2) = Rpol1 - Rpol2
Dieser Wert stellt einen Unterschied des Polarisationswiderstands am Punkt P der verschiedenen Näherungskurven dar. Deshalb ist ersichtlich, dass der ohmsche Widerstand R sich nicht ändert, sobald das Entladen aufgetreten ist.
Im übrigen liegt - wie in Fig. 17 gezeigt - auf der Näherungskurve M1 ein Punkt P1 mit einem Wert (R + Rpol1'), der gleich dem zusammengesetzten Widerstand (R + Rpol2) an dem auf der Näherungskurve M2 gewählten Punkt P ist. Ferner liegt - wie in Fig. 18 gezeigt - auf der Näherungskurve M2 ein Punkt P2 mit einem Wert (R + Rpol2'), der gleich dem zusammengesetzten Widerstand an dem auf der Näherungskurve M1 gewählten Punkt P ist. Und zwar liegt der Punkt P1, wo R + Rpol1' = R + Rpol2 gilt, auf der Näherungskurve M1, wohingegen der Punkt P2, wo R + Rpol1 = R + Rpol2' gilt, auf der Näherungskurve M2 liegt.
Kurz gesagt sind unter der Annahme, dass der Strom und die Spannung am Punkt P1 die Werte Ip1 und Vp1 und der Strom und die Spannung am Punkt P2 die Werte Ip2 und Vp2 haben, die Polarisationswiderstände am Punkt P1 mit den Koordinaten (Ip1, Vp1) und am Punkt P mit den Koordinaten (Ip, Vp) zueinander gleich, und die Polarisationswiderstände am Punkt P mit den Koordinaten (Ip, Vp) und am Punkt P2 mit den Koordinaten (Ip2, Vp2) sind zueinander gleich.
Nachstehend folgt eine Erläuterung der Vorgehensweise zur Berechnung des Stroms Ip1 und der Spannung Vp1 am Punkt P1, wobei der Widerstand (R + Rpol1') gleich ist dem zusammengesetzten Widerstand (R + Rpol2) am Punkt P.
Der Spannungsabfall ΔVp1 vom Schnittpunkt C1 der Näherungskurve M1 mit der Ordinatenachse zum Punkt P1 lässt sich ausdrücken als
ΔVp2 = C1 - (a1Ip1² + b1Ip1 + C1) = (R + Rpol2)Ip1
Deshalb gilt
- (a1Ip2 + b1) = R + Rpol2
Somit drückt sich der Strom Ip1 am Punkt P1 aus als
Ip1 = - (b1 + R + Rpol2)/a1
Da R + Rpol2 (= R + Rpol1') = ΔV2/I2 (= ΔVp1/Ip1),
Ip1 = - [b1 + (ΔVp/Ip)]/a1
= - [b1 + (ΔVp1/Ip1)]/a1
Wie aus vorstehender Gleichung ersichtlich, wird die Spannung Vp1 am Punkt P1 ausgedrückt durch
Vp1 - a1Ip1² + b1Ip1 + C1
Somit werden die Koordinaten (Ip1, Vp1) des Punkts P1 aus bekannten Größen berechnet.
Ebenso werden am Punkt P2 der Strom Ip2 und die Spannung Vp2 mit einem Wert (R + Rpol2'), der gleich dem Wert (R + Rpol1) am Punkt P ist, ausgedrückt durch
Ip2 = - [b2 + (ΔV2/I2)]/a2
Ip2 = [b2 + + (ΔVp2/Ip2)]/a2
Vp2 = a2Ip2² + b2Ip2 + C2
Somit können die Koordinaten (Ip2, Vp2) aus bekannten Größen berechnet werden.
ΔVp2 stellt den Spannungsabfall vom Schnittpunkt C2 der Näherungskurve M2 mit der Ordinatenachse dar.
Danach wird - wie aus Fig. 17 ersichtlich - die Steigung einer Geraden L1, die den die Koordinaten (Ip1, Vp1) besitzenden Punkt P1 mit dem die Koordinaten (Ip, Vp) besitzenden Punkt P verbindet, ermittelt, um den zusammengesetzten Widerstand R1 bereitzustellen. Der zusammengesetzte Widerstand R1 wird gewonnen, indem die Spannungsdifferenz (Vp1 - Vp), die durch den zusammengesetzten Widerstand (zusammengesetzt aus dem ohmschen Widerstand und dem Polarisationswiderstand Rpol2) bedingt ist, durch die Stromdifferenz (Ip1 - Ip) geteilt wird. Das heißt
R1 (Vp1 - Vp)/(Ip1 - Ip)
Ebenso wird - wie aus Fig. 18 ersichtlich - die Steigung einer Geraden L2, die den die Koordinaten (Ip2, Vp2) besitzenden Punkt P2 mit dem die Koordinaten (Ip, Vp) besitzenden Punkt P verbindet, ermittelt, um den zusammengesetzten Widerstand R2 bereitzustellen. Der zusammengesetzte Widerstand R2 wird gewonnen, indem die Spannungsdifferenz (Vp - Vp2), die durch den zusammengesetzten Widerstand (zusammengesetzt aus dem ohmschen Widerstand und dem Polarisationswiderstand Rpol1) bedingt ist, durch die Stromdifferenz (Ip - Ip2) geteilt wird. Das heißt
R2 = (Vp - Vp2)/(Ip - Ip2)
Jedoch sind die zusammengesetzten Widerstände R1 und R2 nicht identisch mit ohmschen Widerständen. Diese Unannehmlichkeit kann überwunden werden, indem derjenige Spannungsabfall dividiert wird, der den durch den Polarisationswiderstand bedingten Anteil ausschließt.
Bezüglich Punkt P der Näherungskurve M2 sollte unter der Annahme, dass der zusammengesetzte Widerstand R1 durch
R1 = R1' + Rpol2 - R1' + Rpol1'
ausgedrückt wird, der Spannungsabfall, der entsteht, wenn der einer Differenz zwischen dem Strom Ip1 am Punkt P1 und dem Strom Ip am Punkt P entsprechende Strom durch den Widerstand R2' fließt, bei der Spannung am Punkt P1 zunehmend durch den Spannungsabfall kompensiert werden, der entsteht, wenn ein einer Differenz zwischen dem Strom Ip1 am Punkt P1 und dem Strom Ip am Punkt P2 entsprechender Strom durch den Polarisationswiderstand Rpol1' (oder Rpol2) fließt. Daher gilt folgende Gleichung.
R1' (I1' - I2) = [V1' + Rpol1' (I1' - I2)] - V2
Daher gilt
R1' (I1' - I2) = (Vp1 - Vp) + Rpol1' (Ip1 - Ip)
Da Rpol1' = ΔV1'/Ip1 - R1, gilt nun
R1' (Ip1 - Ip) = (Vp1 - Vp) + (ΔV1/Ip1 - R1')(Ip1 - I2)
2R1' (Ip1 - I2) = (V1' - Vp) + ΔVp1/Ip1 (Ip1 - Ip)
Als Ergebnis folgt
R1' = [(Vp1 - Vp) + (ΔVp1/Ip1)(Ip1 - Ip)]/[2(Ip1 - Ip)]
Im übrigen sei bemerkt, dass (ΔVp1/Ip1) durch (ΔV2/Ip) ersetzt werden kann.
Ebenso sollte bezüglich Punkt P auf der Näherungskurve M1 unter der Annahme, dass der zusammengesetzte Widerstand R2 durch
R2 = R2 ' + Rpol1 = R2 ' + Rpol2'
ausgedrückt wird, der Spannungsabfall, der entsteht, wenn der einer Differenz zwischen dem Strom I1 am Punkt A und dem Strom I2' am Punkt B' entsprechende Strom durch den Widerstand R2' fließt, bei der Spannung am Punkt B' zunehmend durch den Spannungsabfall kompensiert werden, der entsteht, wenn ein einer Differenz zwischen dem Strom I1 am Punkt A und dem Strom I2' am Punkt B' entsprechender Strom durch den Polarisationswiderstand Rpol2' (oder Rpol1) fließt, und daher gilt die folgende Gleichung.
R2' (Ip - Ip2) = Vp - [Vp2 - Rpol2' (Ip - Ip2)]
Daher gilt
R2' (I1 - Ip2) = (Vp - Vp2) + Rpol2' (Ip - Ip2)
Da Rpol2' = ΔVp2/Ip2 - R2', gilt nun
R2' (Ip - Ip2) - (Vp - Vp2) + (ΔVp2/Ip2 - Rp2) (Ip - Ip2)
2R2' = (I1 - Ip2) - (Vp - Vp2) + ΔVp2/Ip2 (Ip - Ip2)
Als Ergebnis folgt
R2' = [(Vp - Vp2) + (ΔVp2/Ip2) (Ip - Ip2)]/[2(Ip - Ip2)]
Im übrigen sei bemerkt, dass (ΔVp/Ip) durch (ΔV1/I1) ersetzt werden kann.
Die beiden Widerstandswerte R1' und R2' wurden bezüglich der beiden Punkte A und B gewonnen, indem die unterschiedlichen Polarisationswiderstände (Rpol1' = Rpol2) und (Rpol1 = Rpol2') und Spannungsabfälle ΔVp1 (ΔVp) und ΔVp2 (ΔVp) gegenüber den verschiedenen Schnittpunkten C1 und C2 verwendet wurden, und können daher keine ohmschen Widerstände sein. Mithin kann der wirkliche ohmsche Widerstand R gewonnen werden, indem der gewichtete Durchschnitt der beiden Widerstände,
R = (R1' + R2')/2,
ermittelt wird.
Bei dem unter Bezugnahme auf die Fig. 16 bis 18 erläuterten Verfahren kann der einzelne Punkt auf den Punkt P gelegt werden, der dem maximalen Entladestrom der Batterie entspricht, der gemessen wird, um die beiden Näherungskurven M1 und M2 zu gewinnen. Durch Verwendung der gemeinsamen Daten kann der Einschluss eines Fehlers unterdrückt werden.
Der erste angenommene Punkt P1 wird auf der ersten Näherungskurve M1 angenommen, und der zweite angenommene Punkt P2 wird auf der zweiten Näherungskurve M2 angenommen. Wie zuvor beschrieben, bietet der erste angenommene Punkt P1 den gleichen Widerstand wie der zweite zusammengesetzte Widerstand R2, der aus dem ohmschen Widerstand der Batterie und dem zweiten Polarisationswiderstandsanteil Rpol2 zusammengesetzt ist und den zweiten Spannungsabfall ΔV2 erzeugt, wenn der dem Punkt P auf der zweiten Näherungskurve M2 entsprechende Entladestrom Ip fließt. Der zweite angenommene Punkt P2 liefert den gleichen Widerstand wie der erste zusammengesetzte Widerstand R1, der aus dem ohmschen Widerstand der Batterie und dem ersten Polarisationswiderstandsanteil Rpol1 zusammengesetzt ist und den ersten Spannungsabfall ΔV1 erzeugt, wenn der dem Punkt P auf der ersten Näherungskurve M1 entsprechende zweite Entladestrom Ip fließt.
Wenn die beiden angenommenen Punkte P1 und P2 zweckmäßig angenommen werden konnten, wird die erste Steigung R1 der Geraden L1, die den Punkt P mit dem ersten angenommenen Punkt P1 verbindet, um den Spannungsabfall Rpol2(Ip1 - Ip), der durch den zweiten Polarisationswiderstandsanteil Rpol2 bedingt ist und von dem Entladestrom Ip und dem am ersten angenommenen Punkt P1 herrschenden Entladestrom Ip1 erzeugt wird, korrigiert, wodurch die erste korrigierte Steigung R1' gewonnen wird, die den Spannungsabfall ausschließt, der auf den zweiten Polarisationswiderstandsanteil Rpol2 zurückzuführen ist. Ebenso wird die zweite Steigung R2 der Geraden L2, die den Punkt P mit dem zweiten angenommenen Punkt P2 verbindet, um den Spannungsabfall Rpol1(Ip-Ip2), der durch den ersten Polarisationswiderstandsanteil Rpol1 bedingt ist und von dem Entladestrom Ip und dem am zweiten angenommenen Punkt P2 herrschenden Entladestrom Ip2 erzeugt wird, korrigiert, wodurch die zweite korrigierte Steigung R2' gewonnen wird, die den Spannungsabfall ausschließt, der auf den ersten Polarisationswiderstandsanteil Rpol1 zurückzuführen ist.
Die erste korrigierte Steigung R1' und die zweite korrigierte Steigung R2' werden summiert, und die Summe wird gemittelt, um eine Durchschnittssteigung zu ergeben. Die auf diese Weise gewonnene Durchschnittssteigung wird als ohmscher Widerstand der Batterie gemessen.
Die vorliegende Ausführungsform kann im wesentlichen in der gleichen Verarbeitungsfolge durchgeführt werden, wie sie in den Flussdiagrammen der Fig. 14 und 15 im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform veranschaulicht und unter Bezugnahme auf die Fig. 11 bis 13 erläutert wurde, mit der Ausnahme, dass die beiden Punkte auf den Näherungskurven M1 und M2 auf denselben Punkt gelegt werden, der dem Maximalwert des Entladestroms der Batterie auf den beiden Näherungskurven M1 und M2 entspricht.
Die vorstehende Ausführungsform verwendet den nicht- flüchtigen Speicher 25 als Einrichtung zum Speichern des für den vollständig geladenen Zustand geltenden Widerstandswerts. Eine solche Einrichtung kann jedoch ersetzt werden, indem ein Bereich im ROM 23c des Mikrocomputers 23 zum Speichern eines für den vollständig geladenen Zustand geltenden Widerstandswerts Rf+Rpolf bereitgestellt wird.
Vorstehend wurde als Ausführungsform der Erfindung die Einrichtung 1 zum Berechnen der in der Fahrzeugbordbatterie gespeicherten elektrischen Ladungsmenge hinsichtlich der Batterie 13 erörtert. Selbstverständlich kann die vorliegende Erfindung auf eine Recheneinrichtung der Batterie 13 angewandt werden, um den Ladewirkungsgrad zu ermitteln, der das Verhältnis einer tatsächlich gespeicherten elektrischen Ladungsmenge zu einer insgesamt in die Batterie 13 geflossenen elektrischen Ladungsmenge ist.
Im Fall der Einrichtung zum Berechnen des Ladewirkungsgrads einer Fahrzeugbordbatterie kann für jeden während des Ladens gemessenen Punkt ein Ladewirkungsgrad (%) in einem nicht- flüchtigen Speicher abgelegt werden. Auch ein für den vollständig geladenen Zustand geltender Widerstandswert Rf+Rpolf der Batterie 13 kann in dem nichtflüchtigen Speicher abgelegt werden.
Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Berechnung eines Ladewirkungsgrads und einer gespeicherten elektrischen Ladungsmenge einer Fahrzeugbordbatterie beschränkt, sondern kann auch für eine allgemeine Anwendung, wie zum Beispiel ein Mobiltelefon und einen tragbaren persönlichen Computer, eingesetzt werden.

Claims

1. Verfahren zum Berechnen eines Ladewirkungsgrads, der das Verhältnis einer in einer Batterie als Spannungsquelle gespeicherten elektrischen Ladungsmenge zu einer der Batterie zugeführten elektrischen Gesamtladungsmenge ist, zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt zwischen einem Beginn und einem Ende des Ladens der Batterie, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
zu Beginn des Ladens wird ein Anfangswiderstand der Batterie gemessen,
in dem gegebenen Zeitpunkt werden zwischen einem Klemmenpaar der Batterie eine Spannung und ein Strom gemessen, um einen zu dem Zeitpunkt herrschenden Innenwiderstand der Batterie zu ermitteln,
eine Widerstandsdifferenz wird ermittelt, die eine Differenz zwischen dem zu dem Zeitpunkt herrschenden Innenwiderstand und dem Anfangswiderstand ist, und
ein Verhältnis der Widerstandsdifferenz zu einem Vollladungswiderstand, der ein Widerstand der Batterie bei einem vollständig geladenen Zustand der Batterie ist, wird ermittelt,
wodurch anhand des Verhältnisses ein zu dem Zeitpunkt herrschender Ladewirkungsgrad der Batterie berechnet wird.

2. Verfahren zum Berechnen eines Ladewirkungsgrads nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis der Widerstandsdifferenz zum Vollladungswiderstand von 1 (Eins) abgezogen wird, um für den gegebenen Zeitpunkt einen Ladewirkungsgrad zu ermitteln.

3. Verfahren zum Berechnen einer gespeicherten elektrischen Ladungsmenge der Batterie nach Anspruch 1, wobei eine am Ende des Ladens der Batterie in der Batterie gespeicherte elektrische Ladungsmenge ermittelt wird, indem eine Mehrzahl der Ladewirkungsgrade verwendet werden, die jeweils an einem einer Mehrzahl der Messzeitpunkte zwischen dem Beginn und dem Ende des Ladens der Batterie gewonnen werden.

4. Verfahren zum Berechnen einer gespeicherten elektrischen Ladungsmenge nach Anspruch 1, wobei die Batterie Pole besitzt, die sich in einem aktiven Zustand befinden, solange auf den Polen keine Passivierungsschicht gebildet ist, und wobei aufgrund eines während des Ladens zeitveränderlichen Verlaufsmusters des Ladestroms festgestellt wird, ob die Pole sich im aktiven Zustand befinden,
wobei die in der Batterie gespeicherte elektrische Ladungsmenge ermittelt wird, indem eine Mehrzahl der Ladewirkungsgrade verwendet werden, die jeweils an einem einer Mehrzahl der Messzeitpunkte zwischen dem Beginn und dem Ende des Ladens der Batterie gewonnen werden, wenn die Pole sich im aktiven Zustand befinden,
wobei die gespeicherte elektrische Ladungsmenge der Batterie aufgrund einer Integration eines mit einer zugehörigen Ladezeit multiplizierten Ladestroms während einer Übergangszeit ermittelt wird, in der auf den Polen der Batterie eine Passivierungsschicht verbleibt, bevor der Ladestrom die Passivierungsschicht hinreichend durchbricht.

5. Einrichtung zum Berechnen eines Ladewirkungsgrads, der das Verhältnis einer in einer Batterie als Spannungsquelle gespeicherten elektrischen Ladungsmenge zu einer der Batterie zugeführten elektrischen Gesamtladungsmenge ist, zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt zwischen einem Beginn und einem Ende des Ladens der Batterie, wobei die Einrichtung folgende Merkmale aufweist:
eine Messeinrichtung zum Messen einer Spannung und eines Stroms zwischen einem Klemmenpaar der Batterie zu dem gegebenen Zeitpunkt, um einen zu dem Zeitpunkt herrschenden Innenwiderstand der Batterie zu ermitteln,
eine Einrichtung zum Berechnen eines Anfangswiderstands, um aufgrund einer Klemmenspannung und des zugehörigen Stroms, die mittels der Messeinrichtung gemessen werden, einen am Ladebeginn herrschenden Innenwiderstand der Batterie zu ermitteln,
eine Einrichtung zum Berechnen eines Aufladungswiderstands, um aufgrund einer Klemmenspannung und eines zugehörigen Stroms, die mittels der Messeinrichtung gemessen werden, einen zu dem gegebenen Zeitpunkt herrschenden Innenwiderstand der Batterie zu ermitteln,
eine Einrichtung zum Berechnen einer Widerstandsdifferenz, um eine Differenz zwischen dem zu dem gegebenen Zeitpunkt herrschenden Innenwiderstand und dem Anfangswiderstand zu ermitteln,
eine Speichereinrichtung zum Speichern eines im vollständig geladenen Zustand der Batterie herrschenden Innenwiderstands, und
eine Einrichtung zum Berechnen eines Widerstandsverhältnisses, um ein Verhältnis der Widerstandsdifferenz zu dem im vollständig geladenen Zustand herrschenden Widerstand zu ermitteln,
wodurch anhand des Verhältnisses ein zu dem Zeitpunkt herrschender Ladewirkungsgrad der Batterie berechnet wird.

6. Einrichtung zum Berechnen eines Ladewirkungsgrads nach Anspruch 5, wobei die Einrichtung zum Berechnen eines Widerstandsverhältnisses das Verhältnis der Widerstandsdifferenz zum Vollladungswiderstand von 1 (Eins) abzieht, um für den gegebenen Zeitpunkt einen Ladewirkungsgrad der Batterie zu ermitteln.

7. Einrichtung zum Berechnen einer gespeicherten elektrischen Ladungsmenge nach Anspruch 5, wobei eine am Ende des Ladens der Batterie in der Batterie gespeicherte elektrische Ladungsmenge ermittelt wird, indem eine Mehrzahl von Ladewirkungsgraden verwendet werden, die jeweils an einem einer Mehrzahl von zeitlich aufeinanderfolgenden Punkten zwischen dem Beginn und dem Ende des Ladens der Batterie mittels der Einrichtung zum Berechnen des Ladewirkungsgrads gewonnen werden.

8. Einrichtung zum Berechnen einer gespeicherten elektrischen Ladungsmenge nach Anspruch 5, wobei die Batterie Pole besitzt, die sich in einem aktiven Zustand befinden, solange auf den Polen keine Passivierungsschicht gebildet ist, und wobei die Einrichtung zum Berechnen einer gespeicherten elektrischen Ladungsmenge folgende weitere Merkmale aufweist:
eine Einrichtung zum Feststellen des aktiven Zustands, um aufgrund eines während des Ladens zeitveränderlichen Verlaufsmusters des Ladestroms festzustellen, ob die Pole sich im aktiven Zustand befinden, wobei der Ladestrom durch die Messeinrichtung erfasst wird,
wobei die in der Batterie gespeicherte elektrische Ladungsmenge ermittelt wird, indem eine Mehrzahl von Ladewirkungsgraden verwendet werden, die jeweils an einem einer Mehrzahl von zeitlich aufeinanderfolgenden Punkten zwischen dem Beginn und dem Ende des Ladens der Batterie gewonnen werden, wenn die Pole sich im aktiven Zustand befinden, und
eine Einrichtung zum Berechnen der gespeicherten elektrischen Ladungsmenge, um eine elektrische Ladungsmenge zu ermitteln, die während einer Übergangszeit gespeichert wird, in der eine Passivierungsschicht auf den Polen der Batterie verbleibt, so dass die Pole sich nicht im aktiven Zustand befinden, bevor der Ladestrom die Passivierungsschicht hinreichend durchbricht, wobei die gespeicherte elektrische Ladungsmenge der Batterie aufgrund einer Integration eines mit einer zugehörigen Ladezeit multiplizierten Ladestroms über der Übergangszeit ermittelt wird.