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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.
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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.
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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,
zB wenn das Fahrzeug an einer Straßenkreuzung entsprechend einem
Stoppsignal vorübergehend stehenbleiben
muss.
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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.
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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.
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Bei
einem typischen Elektrofahrzeug wird die Batterie während Nichtgebrauchszeiten
des Fahrzeugs, zB 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.
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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.
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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.
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Das
vorstehend genannte Problem ist nicht auf Fahrzeugbordbatterien
beschränkt,
sondern tritt auch bei allgemeinen Batterien auf, die elektrische
Energie an eine Last liefern.
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DE 3811371 A1 offenbart
ein Verfahren zum Laden und gleichzeitigen Prüfen des Zustandes eines Nickelcadmium-Akkumulators, bei
dem in den Ladezyklus Messphasen mit Entladeintervallen vergleichsweise kurzer
Dauer eingeschoben sind. Während
der Messphasen wird der Innenwiderstand des Akkumulators unter unterschiedlichen
Lade- und Entladezuständen
gemessen, die Innenwiderstände
werden zueinander in Beziehung gesetzt und auch mit in aufeinander
folgenden Messphasen ermittelten Innenwiderständen verglichen. Aus diesen
Beziehungen wird eine Fülle
von Informationen über
verschiedene Zustände
des Akkumulators abgeleitet, mit deren Hilfe der Ladevorgang gesteuert
und eine Aussage über
den Brauchbarkeitszustand des Akkumulators gewonnen werden kann.
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US 5,808,443 offenbart ein
Batterie-Ladeverfahren, bei dem ein Notstrom-Batterie-Ladegerät die Ladekondensatorspannung
und den Ladebatteriestrom misst, um den Batterie-Ladekreislauf-Widerstand und die Kreislaufpuffer-Batteriespannung
zu berechnen. Hierbei ermöglicht
die Mircocontroller-Berechnung der Notstrom-Puffer-Batteriespannung
und der Batterie-Ladekreislauf-Widerstandsänderungen
ein effizientes Laden und Aufzeichnen von Batteriezuständen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Unter
Bezugnahme auf 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ein
achter Gesichtspunkt der Erfindung betrifft eine Einrichtung zum
Berechnen einer gespeicherten elektrischen Ladungsmenge nach dem
fünften
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 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.
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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.
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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.
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1 ist
ein Blockschaltbild einer Einrichtung zum Berechnen des Ladewirkungsgrads
und einer elektrischen Ladungsmenge einer Fahrzeugbordbatterie nach
der vorliegenden Erfindung;
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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;
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3 ist
eine Kurve zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen einem
Ladestrom und einer zugehörigen
Ladezeit;
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4 ist
ein schematisches Ersatzschaltbild der Batterie zu Beginn einer
Aufladung;
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5 ist
ein schematisches Ersatzschaltbild der Batterie zu einem Zeitpunkt
nach Beginn der Aufladung;
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6 ist
eine Kurve zur Veranschaulichung eines sich mit der Zeit ändernden
Entladestroms, bezüglich
dessen Batterie eine gespeicherte elektrische Ladung von einer in 2 gezeigten
Einrichtung zur Berechnung der gespeicherten elektrischen Ladung
berechnet wird;
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7 ist
eine Kurve zur Veranschaulichung eines Beispiels für eine Spannungs-Strom-Kennlinie,
die durch eine lineare Näherungsgleichung
ausgedrückt
ist;
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8 ist
eine Kurve zur Veranschaulichung eines Beispiels für eine Spannungs-Strom-Kennlinie,
die durch eine quadratische Näherungsgleichung
ausgedrückt
ist;
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9 ist
eine Kurve zur Veranschaulichung eines Beispiels für eine Polarisation
(sspannung) in Abhängigkeit
vom Strom einer Batterie;
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10 ist
ein Graph zweier Beispiele für
die näherungsweisen,
durch zwei quadratische Näherungsgleichungen
dargestellten Kennlinien, die während
eines Entladeverlaufs der Batterie gewonnen werden;
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11 ist
ein Graph zur Erläuterung
des Verfahrens zum Definieren zweier optionaler Punkte auf den beiden
näherungsweisen
Kennlinien;
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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;
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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;
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14 und 15 zeigen
jeweils ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung der Verarbeitungsschritte,
die von einem Mikrocomputer nach 2 gemäß einem
vorgegebenen, in einem ROM des Mikrocomputers gespeicherten Programm
ausgeführt
werden;
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16 ist
ein Graph zur Erläuterung
der Vorgehensweise zum Definieren zweier Punkte auf zwei näherungsweisen
Kennlinien in einem zweiten Verfahren;
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ferner
schließt
eine dritte Drehstufe des Schlüssels
den Anlasserschalter, während
die Zubehörschalter
und der Zündschalter
eingeschaltet bleiben.
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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.
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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.
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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.
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Der
Stromsensor 15 und der Spannungssensor 17 liegen
in einem Stromkreis, der geschlossen ist, wenn der Zündschalter
eingeschaltet wird.
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Die
Einrichtung 1 zum Berechnen der in der Batterie gespeicherten
elektrischen Ladungsmenge weist nach der Ausführungsform ferner einen Mikrocomputer 23 und
einen nichtflüchtigen
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.
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Der
Mikrocomputer 23 umfasst eine CPU (central processing unit:
zentrale Verarbeitungseinheit) 23a, ein RAM (random access
memory: Schreib-Lese-Speicher) 23b und ein ROM (read-only 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.
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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.
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Das
ROM 23c der Einrichtung 1 zum Berechnen der in
der Batterie gespeicherten elektrischen Ladungsmenge entspricht
der in 1 gezeigten Einrichtung 23cA zum Speichern
des im vollgeladenen Zustand herrschenden Widerstandswerts.
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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.
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Als
nächstes
erfolgen allgemeine Erläuterungen
zum Ladewirkungsgrad der Batterie 13 und zu einem Verfahren
für die
Berechnung des Ladewirkungsgrads beim Aufladen der Batterie 13.
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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.
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Wie
in 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.
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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.
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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.
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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 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 ΔE0 durch eine Impedanzzunahme
RE0 in der Batterie bedingt ist. Somit ändert sich, wie in 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 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.
-
-
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. 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+Rpolo, 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.
-
-
Der
Ladewirkungsgrad der Batterie
13 ergibt sich aus folgender
Gleichung.
-
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.
-
-
Am
Punkt vollständiger
Ladung der Batterie
13 ist der Batterie-Innenwiderstand
(RE0+R'+Rpol') vernachlässigbar
klein gegenüber
RGAS. Das heißt:
-
Andererseits
ist im vollständig
geladenen Zustand der Batterie 13 der Batterie-Innenwiderstand (Rf+Rpolf)
gleich dem vorstehenden Ausdruck (RE0+R'+Rpol'+RGAS).
-
-
Somit
gilt im vollständig
geladenen Zustand der Batterie
13:
-
Mithin
wird folgende Formel erhalten.
-
-
Dies
zeigt, dass der im vollständig
geladenen Zustand herrschende Widerstand (Rf+Rpolf) durch RGASf
ersetzt wird.
-
Deshalb
wird RGAS''/RGASf wie folgt
gewonnen:
-
Deshalb
wird ein Ladeabfallverhältnis
durch folgenden Ausdruck erhalten.
-
-
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:
-
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.
-
-
Somit
wird der Innenwiderstand (R+Rpol) der Batterie
13 wie folgt
gewonnen:
-
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
12V-Auto, ein 42V-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 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 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 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 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 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
11 wird
ein Spannungsabfall ΔV1
zum Punkt A entnommen. Der Wert, der sich ergibt, wenn ΔV1 durch
den am Punkt A geltenden Strom I1 geteilt wird, ist ein zusammengesetzter
Widerstand, der die Summe aus dem ohmschen Widerstand R und dem
Polarisationswiderstandsanteil Rpol1 ist. Das heißt:
-
Ebenso
wird – wie
aus dem Graphen der
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
11 wird
ein Spannungsabfall ΔV2
zum Punkt A entnommen. Der Wert, der sich ergibt, wenn ΔV2 durch
den am Punkt B geltenden Strom I2 geteilt wird, ist ein zusammengesetzter
Widerstand, der die Summe aus dem ohmschen Widerstand R und dem
Polarisationswiderstandsanteil Rpol2 ist. Das heißt:
-
Der
Unterschied ΔR
zwischen den zusammengesetzten Widerständen an den Punkten A und B
stellt sich dar als
-
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 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 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
-
Deshalb
gilt
-
-
Somit
drückt
sich der Strom I1' am
Punkt A' aus als
-
Wie
aus vorstehender Gleichung ersichtlich, wird die Spannung V1' am Punkt A' ausgedrückt durch
-
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
-
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
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
-
Ebenso
wird – wie
aus
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
-
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
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.
-
-
-
Als
Ergebnis folgt
-
-
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
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.
-
-
Daher
gilt
-
-
Als
Ergebnis folgt
-
-
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,
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 I2
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 I1
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 I2 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 I1 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 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 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
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:
-
Der
auf diese Weise gewonnene Batterie-Innenwiderstand R0+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) .
-
-
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 R0+Rpol0. Der für den vollständig geladenen
Zustand geltende Widerstandswert Rf+Rpolf wurde zuvor im ROM 23c gespeichert.
Der Ladewirkungsgrad wird durch folgende Formel erhalten.
-
-
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.
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Wenn
das Laden der Batterie 13 sich fortsetzt (Ja im Schritt
S18), kehrt die Verarbeitung zum Schritt S14 der 14 zurück. Wenn
das Laden der Batterie 13 sich nicht fortsetzt (Nein im
Schritt S18), kehrt die Verarbeitung zum Schritt S2 der 14 zurück.
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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 15 ein
Verarbeitungsschritt, der der in der Kurzfassung der Erfindung beschriebenen
Einrichtung 23A zum Berechnen des Anfangswiderstands entspricht,
und Schritt S15 der 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 14 oder 15 beinhaltet.
-
Außerdem entspricht
die in der Kurzfassung der Erfindung beschriebene Einrichtung 23E zum
Berechnen des aktiven Zustands dem Schritt S9 der 14,
und die Einrichtung 23F zum Berechnen der elektrischen Ladungsmenge
in einer Übergangszeit
entspricht dem Schritt S10 der 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 16 bis 18 ein
zweites Verfahren zum Ermitteln des ohmschen Widerstands R und der
Leerlaufspannung OCV der Batterie 13 erörtert. 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
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:
Ip: Stromwert am Punkt P
-
Als
nächstes
stellt – wie
in
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:
-
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 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
-
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
-
Die
Differenz ΔR
zwischen den zusammengesetzten Widerständen am Punkt P lässt sich
darstellen als
-
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 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 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
-
Deshalb
gilt
-
-
Somit
drückt
sich der Strom Ip1 am Punkt P1 aus als
-
Wie
aus vorstehender Gleichung ersichtlich, wird die Spannung Vp1 am
Punkt P1 ausgedrückt
durch
-
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
-
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
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
-
Ebenso
wird – wie
aus
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
-
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
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
R1' 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.
-
-
Daher
gilt
-
-
Als
Ergebnis folgt
-
-
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
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.
-
-
-
-
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,
ermittelt wird.
-
Bei
dem unter Bezugnahme auf die 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 14 und 15 im
Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform
veranschaulicht und unter Bezugnahme auf die 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 nichtflüchtigen
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 nichtflüchtigen
Speicher abgelegt werden. Auch ein für den vollständig geladenen
Zustand geltender Widerstandswert Rf+Rpolf der Batterie 13 kann
in dem nicht-flüchtigen
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.