DE10305638A1

DE10305638A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln einer Leerlaufspannung einer Batterie

Info

Publication number: DE10305638A1
Application number: DE10305638A
Authority: DE
Inventors: Tomohiro Kawaguchi; Shuji Satake
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2002-02-15
Filing date: 2003-02-11
Publication date: 2003-09-04
Also published as: US6794876B2; JP2003307556A; US20030169049A1

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln einer Leerlaufspannung einer Batterie. Eine Mess-Einrichtung misst eine Anschluss-Spannung der Batterie im Leerlauf in einem bestimmten Zyklus nach dem Abschluss eines Lade- oder Entladevorgangs der Batterie, und eine Erfassungs-Einrichtung erfasst die gemessene Anschluss-Spannung. Eine Berechnungs-Einrichtung berechnet einen Spannungswert, an den sich ein Exponential-Approximationsausdruck im Funktionsverlauf asymptotisch annähert, als eine angenommene Leerlaufspannung für die jeweilige Zeitperiode von der erfassten Anschluss-Spannung, wobei der Exponential-Approximationsausdruck einen Exponenten von -0,5 oder ungefähr -0,5 aufweist und auf der Basis der Anschluss-Spannung der jeweiligen Zeitperiode einer Mehrzahl von vorbestimmten Zeitperioden ermittelt wird. Die angenommene Leerlaufspannung einer Zeitperiode, bei der die Differenz von der angenommenen Leerlaufspannung einer angrenzenden Zeitperiode minimal wird, wird als eine Leerlaufspannung ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln der Leerlaufspannung einer Batterie, die einer Last elektrische Energie zuführt.
Eine Leerlaufspannung einer Batterie wird mittels Messens einer Anschluss-Spannung im Leerlauf einer Batterie in deren Gleichgewichtszustand gemessen und stellt eine Größe dar, die den Ladezustand der Batterie widerspiegelt. Daher ist eine Leerlaufspannung einer Batterie wichtig, um zu wissen, wie viel elektrische Energie in der Batterie (d. h. der Ladezustand) bzgl. einer sich im Betrieb befindlichen Batterie verblieben ist, wenn sie beispielsweise in einem Fahrzeug eingebaut ist.
Wenn ein Entladestrom aus einer Batterie heraus fließt, findet im Allgemeinen in der Anschluss-Spannung der Batterie ein Abfall entsprechend der Größenordnung des Stroms statt; andererseits, wenn in die Batterie ein Ladestrom fließt, steigt die Anschluss-Spannung an. Beispielsweise wird der Spannungsabfall während der Entladung durch eine interne Impedanz (einen Gesamtwiderstand) einer Batterie hervorgerufen und kann in einen Spannungsabfall (einen Ohmschen Spannungsabfall) infolge des Reinwiderstands (des Ohmschen Widerstands), hervorgerufen durch den Batterieaufbau, in einen weiteren Spannungsabfall infolge der Aktivierungspolarisation einer Polarisationswiderstandskomponente, hervorgerufen durch chemische Reaktion, und ferner in einen Spannungsabfall infolge einer Konzentrationspolarisation der Polarisationswiderstandskomponente, hervorgerufen durch die chemische Reaktion, aufgeteilt werden.
Wird der Entladestrom zu 0, wird der Ohmsche Spannungsabfall gleichzeitig zu 0, und der Spannungsabfall infolge der Aktivierungspolarisation wird ebenfalls in einer relativ kurzen Zeitdauer zu 0. Der Spannungsabfall infolge der Konzentrationspolarisation verringert sich, wenn sich der Entladestrom verringert, jedoch bleibt der Spannungsabfall infolge der Konzentrationspolarisation für eine relativ lange Zeitdauer bestehen, selbst wenn der Entladestrom 0 wird, da eine relativ lange Zeitdauer notwendig ist, dass die Konzentrationspolarisation durch die Diffusion von Elektrolyt verschwindet. Solch ein Zustand, in dem der Spannungsabfall infolge einer Entladung nach dem Abschluss der Entladung bestehen bleibt, wird Nichtgleichgewichtszustand genannt. Eine Anschluss-Spannung einer Batterie, die im Leerlauf gemessen wird, wenn sich die Batterie in einem Nichtgleichgewichtszustand befindet, unterscheidet sich von einer Anschluss-Spannung, die gemessen wird, wenn sich die Batterie in einem Gleichgewichtszustand befindet, d. h. der Leerlaufspannung, bei der der Spannungsabfall infolge der Entladung vollständig verschwunden ist, und ändert sich derart, dass sie sich der Leerlaufspannung im Verlauf der Zeit annähert, nachdem die Entladung angehalten worden ist.
In diesem Zusammenhang unterscheidet sich eine Anschluss- Spannung einer Batterie, die ansteigt, wenn der Ladestrom fließt, auch von der Leerlaufspannung, da der Spannungsanstieg infolge der Konzentrationspolarisation für eine relativ lange Zeitdauer in der gleichen Weise wie im Fall der Entladung bestehen bleibt.
Im Allgemeinen ändert sich eine Anschluss-Spannung einer Batterie derart, dass sie sich der Leerlaufspannung annähert, nachdem ein Ladevorgang abgeschlossen ist, wie in Fig. 3 gezeigt, und ändert sich derart, dass sie sich der Leerlaufspannung annähert, nachdem eine Entladung abgeschlossen ist, wie in Fig. 10 gezeigt. Wie in Fig. 11 gezeigt, ist beispielsweise nach dem Abschluss eines Ladevorgangs die Zeit, die notwendig ist, einen Gleichgewichtszustand zu erreichen, kurz, wenn die Temperatur hoch ist, während die Zeitdauer lang ist, wenn die Temperatur niedrig ist.

Daher wurde im Allgemeinen eine Anschluss-Spannung einer Batterie im Leerlauf gemessen, nachdem eine bestimmte Zeit nach dem Abschluss eines Lade- oder Entladevorgangs abgelaufen war, wobei diese bestimmte Zeit als eine Zeit betrachtet wird, die erforderlich ist, einen Gleichgewichtszustand zu erreichen, und die beispielsweise 24 Stunden beträgt, und dann wurde die so gemessene Anschluss-Spannung als Leerlaufspannung betrachtet.

Um die Leerlaufspannung zu erhalten, muss bei dem oben beschriebenen Verfahren eine bestimmte Zeitdauer gewartet werden, die erforderlich ist, dass das System einen angenommenen Gleichgewichtszustand nach dem Abschluss eines Lade- oder Entladevorgangs erreicht. Daher gibt es in dem Fall, wenn ein Lade- oder Entladevorgang erneut gestartet wird, bevor eine bestimmte erforderliche Zeitdauer abgelaufen ist, keine Möglichkeit, die Leerlaufspannung zu erlangen, bis eine bestimmte Zeitdauer nach dem Abschluss solch eines nächsten Lade- oder Entladevorgangs erneut abgelaufen ist, wodurch das Problem hervorgerufen wird, dass es nur sehr wenig Möglichkeiten gibt, die Leerlaufspannung zu erlangen.

Da die oben beschriebene bestimmte erforderliche Zeitdauer zusätzlich in Abhängigkeit von der Temperatur variiert, wenn die Anschluss-Spannung einer Batterie im Leerlauf, nachdem eine konstante Zeitdauer nach dem Abschluss eines Lade- oder Entladevorgangs abgelaufen ist, gemessen wird und als Leerlaufspannung ohne Betrachtung der Umgebungstemperatur betrachtet wird, weist solch eine betrachtete Leerlaufspannung einen Fehler auf, da die Anschluss-Spannung in Abhängigkeit von der Temperatur variiert, wodurch das Problem hervorgerufen wird, dass eine Kompensation in Bezug auf die Temperatur erforderlich ist, um solch einen Fehler zu eliminieren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die obigen Probleme zu lösen und ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln der Leerlaufspannung einer Batterie bereitzustellen, bei dem bzw. bei der die Leerlaufspannung einer Batterie beim Betrieb relativ genau in einer relativ kurzen Zeitdauer nach dem Abschluss eines Lade- oder Entladevorgangs ermittelt werden kann.

Die Erfindung wurde dadurch erreicht, dass herausgefunden worden ist, dass sich die Anschluss-Spannung einer Batterie im Leerlauf nach dem Abschluss eines Lade- oder Entladevorgangs asymptotisch einer spezifischen Spannung annähert, die als eine Leerlaufspannung gemäß einem vorbestimmten Exponential-Approximationsausdruck ermittelt werden kann.

Um die obige Aufgabe zu lösen, wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Ermitteln einer Leerlaufspannung einer Batterie bereitgestellt, die eingerichtet ist, einer Last elektrische Energie zuzuführen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Messen und Erfassen einer Anschluss-Spannung der Batterie im Leerlauf in einem bestimmten Zyklus nach dem Abschluss eines Lade- oder Entladevorgangs der Batterie;
Berechnen eines Spannungswertes, an den sich ein Exponential- Approximationsausdruck im Funktionsverlauf asymptotisch annähert, als eine angenommene Leerlaufspannung jeder Zeitperiode von der erfassten Anschluss-Spannung, wobei der Exponential-Approximationsausdruck einen Exponenten von -0,5 oder ungefähr -0,5 aufweist und auf der Basis der Anschluss-Spannung der jeweiligen Zeitperiode eine Mehrzahl von vorbestimmten Zeitperioden ermittelt wird;
Ermitteln der angenommenen Leerlaufspannung einer Zeitperiode, bei die Differenz der Spannung zu der angenommenen Leerlaufspannung einer angrenzenden Zeitperiode minimal wird, als eine Leerlaufspannung.

Mit der oben beschriebenen Anordnung kann nach dem Abschluss eines Lade- oder Entladevorgangs der Batterie eine Asymptote eines Exponential-Approximationsausdrucks, der unter Verwenden der Anschluss-Spannung für eine Zeitperiode von den in einer relativ kurzen Zeitdauer gemessenen Anschluss- Spannungen erlangt worden ist, bei welcher Zeitperiode sich die Anschluss-Spannungen gemäß dem Exponential-Approximationsausdruck relativ schnell annähern, als Leerlaufspannung der Batterie ermittelt werden. Daher kann ein Verfahren zum Ermitteln einer Leerlaufspannung einer Batterie bereitgestellt werden, mittels dessen eine Leerlaufspannung einer Batterie relativ genau in einer relativ kurzen Zeitdauer nach dem Abschluss eines Lade- oder Entladevorgangs ermittelt werden kann.

Bevorzugt wird die jeweilige Zeitperiode einer Mehrzahl von vorbestimmten Zeitperioden durch eine Kombination eines aus einer Mehrzahl von Startzeitpunkten und eines aus einer Mehrzahl von Endzeitpunkten definiert, die mit einer abgelaufenen Zeit nach dem Abschluss eines Lade- oder Entladevorgangs der Batterie vorbestimmt sind.

Mit der oben beschriebenen Anordnung kann eine genaue Leerlaufspannung erlangt werden.

Bevorzugt entsprechen der jüngste der Startzeitpunkte und der älteste der Endzeitpunkte einem Beginn bzw. einem Ende der Zeitperiode, während der die Anschluss-Spannung der Batterie im Leerlauf gemessen und erfasst wird.

Mit der oben beschriebenen Anordnung kann eine effiziente Messung zum Erlangen einer Leerlaufspannung durchgeführt werden.

Bevorzugt ist ein Intervall zwischen einer Mehrzahl von Startzeitpunkten kleiner als ein Intervall zwischen einer Mehrzahl von Endzeitpunkten.

Mit der oben beschriebenen Anordnung ist es möglich, bzgl. der Komponenten, die nicht mit der Diffusion von Elektrolyt in Verbindung stehen, wie beispielsweise ein interner spezifischer Widerstand, eine Aktivierungspolarisation und eine Überspannung, die mit der Erzeugung von Gas einhergeht, und die leicht zur Fehlergröße werden und in der Spannungsänderung direkt nach einem Lade- oder Entladevorgang enthalten sind, die Zeitperioden fein einzustellen.

Bevorzugt wird eine Zeitperiode, bei der ein Wert minimal wird, der erhalten wird, indem Summation von Absolutwerten einer Differenz von der angenommenen Leerlaufspannung einer angrenzenden Zeitperiode durch die Anzahl der angrenzenden Zeitperioden dividiert wird, als eine Zeitperiode gesetzt, bei der die Differenz von der angenommenen Leerlaufspannung einer angrenzenden Zeitperiode minimal wird.

Mit der oben beschriebenen Anordnung kann eine Leerlaufspannung einer Batterie durch einen entsprechenden Vergleich unabhängig von der Anzahl der angrenzenden Zeitperioden ermittelt werden.

Bevorzugt wird, wenn die Anschluss-Spannung im Leerlauf nach dem Abschluss eines Ladevorgangs erfasst wird, ein vorbestimmter Exponential-Approximationsausdruck mit einem negativen Exponenten auf der Basis eines Differenzwertes zwischen der Anschluss-Spannung im Leerlauf für die jeweilige Zeitperiode und einer angenommenen Leerlaufspannung ermittelt, und die Ermittlung des Exponential-Approximationsausdrucks wird wiederholt durchgeführt, indem die angenommene Leerlaufspannung aktualisiert wird, bis der Exponent des ermittelten Exponential-Approximationsausdrucks -0,5 oder ungefähr -0,5 wird, wodurch ein Spannungswert berechnet wird, an den sich der Exponential-Approximationsausdruck im Funktionsverlauf asymptotisch annähert.

Mit der oben beschriebenen Anordnung wird eine Asymptote eines Exponential-Approximationsausdrucks für jede Zeitperiode erlangt, da die angenommene Leerlaufspannung für die jeweilige Zeitperiode in einer relativ kurzen Zeitdauer nach dem Abschluss des Ladevorgangs der Batterie erlangt wird.

Bevorzugt wird, wenn die Anschluss-Spannung im Leerlauf nach dem Abschluss eines Entladevorgangs erfasst wird, auf der Basis des Absolutwertes eines mittels Subtrahierens der angenommenen Leerlaufspannung von der Leerlaufspannung für die jeweilige Zeitperiode erlangten Wertes und auf der Basis eines Differenzwertes zwischen der Anschluss-Spannung im Leerlauf für die jeweilige Zeitperiode und einer angenommenen Leerlaufspannung ein vorbestimmter Exponential-Approximationsausdruck mit einem negativen Exponenten ermittelt, und die Ermittlung des Exponential-Approximationsausdrucks wird wiederholt durchgeführt, indem die angenommene Leerlaufspannung aktualisiert wird, bis der Exponent des ermittelten Exponential-Approximationsausdrucks -0,5 oder ungefähr -0,5 wird, wodurch ein Spannungswert berechnet wird, an den sich der Exponential-Approximationsausdruck im Funktionsverlauf asymptotisch annähert.

Mit der oben beschriebenen Anordnung wird eine Asymptote eines Exponential-Approximationsausdrucks für jede Zeitperiode erlangt, da die angenommene Leerlaufspannung für die jeweilige Zeitperiode in einer relativ kurzen Zeitdauer nach dem Abschluss des Entladevorgangs der Batterie erlangt wird.

Bevorzugt wird der Exponential-Approximationsausdruck durch α.t^D ausgedrückt, wobei t die Zeit bedeutet, α ein unbekannter Koeffizient ist und D ein unbekannter negativer Exponent ist.

Mit der oben beschriebenen Anordnung kann eine angenommene Leerlaufspannung als die angenommene Leerlaufspannung für die Zeitperiode gesetzt werden, wenn der Exponent D des Exponential-Approximationsausdrucks α.t^D zu -0,5 oder ungefähr -0,5 wird.

Bevorzugt wird die Anschluss-Spannung im Leerlauf für jede Zeitperiode auf eine optionale Anzahl gleich oder größer als 2 gesetzt, und die Anschluss-Spannung der optionalen Anzahl wird einer Regressionsberechnung unterzogen, wodurch der Exponent D des Exponential-Approximationsausdrucks ermittelt wird.

Mit der oben beschriebenen Anordnung kann die angenommene Leerlaufspannung für jede Zeitdauer erlangt werden, wenn die vorbestimmte Anzahl der Ermittlung des Exponential- Approximationsausdrucks durchgeführt wird, selbst wenn der Exponent des Exponential-Approximationsausdrucks α.t^D nicht -0,5 wird.

Um die obige Aufgabe zu lösen, wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Leerlaufspannung einer Batterie geschaffen; die eingerichtet ist, einer Last elektrische Energie zuzuführen, wobei die Vorrichtung aufweist:
eine Mess-Einrichtung zum Messen einer Anschluss-Spannung einer Batterie im Leerlauf in einem bestimmten Zyklus nach dem Abschluss eines Lade- oder Entladevorgangs einer Batterie;
eine Erfassungs-Einrichtung zum Erfassen der mittels der Mess-Einrichtung gemessenen Anschluss-Spannung der Batterie im Leerlauf; und
eine Berechnungs-Einrichtung zum Berechnen eines Spannungswertes, an den sich ein Exponential-Approximationsausdruck im Funktionsverlauf asymptotisch annähert, als eine angenommene Leerlaufspannung der jeweiligen Zeitperiode von der mittels der Erfassungs-Einrichtung erfassten Anschluss- Spannung, wobei der Exponential-Approximationsausdruck einen Exponenten von -0,5 oder ungefähr -0,5 aufweist und auf der Basis der Anschluss-Spannung für die jeweilige Zeitperiode einer Mehrzahl von vorbestimmten Zeitperioden ermittelt wird,
wobei die angenommene Leerlaufspannung einer Zeitperiode als eine Leerlaufspannung ermittelt wird, bei welcher Zeitperiode die Differenz von der angenommenen Leerlaufspannung einer angrenzenden Zeitperiode minimal wird.

Mit der oben beschriebenen Anordnung kann eine Asymptote eines Exponential-Approximationsausdrucks unter Verwenden der Anschluss-Spannung für eine Zeitperiode, bei der sich die Anschluss-Spannungen gemäß dem Exponential-Approximationsausdruck relativ schnell annähern, von den in einer relativ kurzen Zeitdauer gemessenen Anschluss-Spannungen als Leerlaufspannung der Batterie nach dem Abschluss eines Lade- oder Entladevorgangs der Batterie ermittelt werden. Daher kann eine Vorrichtung zum Ermitteln der Leerlaufspannung einer Batterie geschaffen werden, mittels der die Leerlaufspannung einer Batterie relativ genau in einer relativ kurzen Zeitdauer nach dem Abschluss eines Lade- oder Entladevorgangs ermittelt werden kann.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnung ausführlich beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer grundlegenden Anordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ermitteln einer Leerlaufspannung einer Batterie;
Fig. 2 einen grundlegenden Aufbau einer Vorrichtung zum Ermitteln der Leerlaufspannung einer Batterie zur Verwendung in einem Fahrzeug gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, auf das ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Ermitteln der Leerlaufspannung einer Batterie angewendet werden kann, teilweise durch ein Blockdiagramm dargestellt;
Fig. 3 einen Graphen, der die Änderung bei einer Anschluss- Spannung einer Batterie im Leerlauf nach dem Abschluss eines Ladevorgangs darstellt;
Fig. 4 einen Graphen zum Erläutern eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln einer Leerlaufspannung;
Fig. 5 einen weiteren Graphen zum Erläutern eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln einer Leerlaufspannung;
Fig. 6 einen Graphen zum grundlegenden Erläutern der Gültigkeit eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 7 ein Flussdiagramm, das einen Prozess darstellt, den ein Mikrocomputer, wie in Fig. 2 gezeigt, gemäß einem Programm ausführt, das zum Ermitteln der Leerlaufspannung einer Batterie vorbestimmt ist;
Fig. 8 ein Flussdiagramm, das einen grundlegenden Prozess zum Berechnen einer angenommenen Leerlaufspannung, wie in Fig. 7 gezeigt, darstellt;
Fig. 9 einen Graphen zum Erläutern eines Verfahrens zum Aktualisieren einer angenommenen Leerlaufspannung;
Fig. 10 einen Graphen, der die Änderung bei einer Anschluss- Spannung einer Batterie im Leerlauf nach dem Abschluss eines Entladevorgangs darstellt; und
Fig. 11 einen Graphen, der die Änderung bei einer Anschluss- Spannung einer Batterie im Leerlauf nach dem Abschluss eines Ladevorgangs darstellt, wobei die Anschluss-Spannung in Abhängigkeit von der Temperatur variiert.
Bevor ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Ermitteln der Leerlaufspannung einer Batterie unter Bezugnahme auf Fig. 2 zusammen mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ermitteln der Leerlaufspannung einer Batterie erläutert wird, wird im Folgenden die grundlegende erfinderische Idee erläutert.
Ist ein Ladevorgang einer Batterie, die in einem Fahrzeug angebracht ist, abgeschlossen, verringert sich bzgl. einer Anschluss-Spannung einer Batterie im Leerlauf im Allgemeinen eine Komponente der Anschluss-Spannung, welche Komponente infolge der Konzentrationspolarisation angestiegen ist, graduell im Verlauf der Zeit, sodass sich die Anschluss- Spannung einer Leerlaufspannung (OCV = E₀) asymptotisch annähert, die einer Anschluss-Spannung einer Batterie im Leerlauf nach beispielsweise 24 Stunden entspricht, wie in Fig. 3 gezeigt. Solch eine asymptotische Kurve wird allgemein durch einen Exponential-Ausdruck ausgedrückt.
Ist die Leerlaufspannung E₀ unbekannt, wie in Fig. 4 gezeigt, wird V(t) - OCV durch einen Exponential-Approximationsausdruck α.t^D ausgedrückt, der sich der Abszissen-Achse, wie in Fig. 5 gezeigt, annähert, wenn eine angenommene Leerlaufspannung (OCVr = E) definiert ist und von einer Anschluss- Spannung V(t) subtrahiert wird.
Wird das Auftreten einer Diffusion angenähert durch einen Exponential-Approximationsausdruck α.t^D ausgedrückt, beträgt der Exponent D im Allgemeinen normalerweise ungefähr -0,5. Daher kann eine angenommene Leerlaufspannung E als eine Leerlaufspannung betrachtet werden, wenn ein Exponential- Approximationsausdruck α.t^D erlangt wird, bei dem der Exponent D zu -0,5 wird, wenn eine Änderung bei einer Anschluss-Spannung einer Batterie nach dem Abschluss eines Ladevorgangs von einer Spannungsänderung abhängt, die sich nur aufgrund der Diffusion von Elektrolyt ergibt.
Ein Beispiel eines Beweises, dass ein Exponent D ungefähr -0,5 wird, wenn das Auftreten einer Diffusion durch einen Exponential-Approximationsausdruck α.t^D angenähert ausgedrückt wird, wird im Folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 6 erläutert.
Bzgl. einer Batterie mit einer Leerlaufspannung von 12,34 V wird eine angenommene Leerlaufspannung auf 12,34 V gesetzt. Bei einem Exponential-Approximationsausdruck, der unter Verwenden eines Wertes ermittelt worden ist, der berechnet wird, indem diese angenommene Leerlaufspannung von einer Anschluss-Spannung subtrahiert wird, die zwischen 5 und 15 min. nachdem ein Ladevorgang angehalten worden ist, gemessen worden ist, wird der Exponent D zu -0,500, während der Exponent D zu -0,452 wird, was größer als -0,500 ist, wenn die angenommene Leerlaufspannung auf 12,29 V gesetzt ist, was kleiner als 12,34 V ist, während der Exponent D ferner zu -0,559 wird, was kleiner als -0,500 ist, wenn die angenommene Leerlaufspannung auf 12,39 V gesetzt ist, was größer als 12,34 V ist. Folglich ist zu bemerken, dass, wenn der Exponent D des Exponential-Approximationsausdrucks -0,5 wird, die angenommene Leerlaufspannung gleich einer Leerlaufspannung wird.
Jedoch weist im Allgemeinen eine Änderung bei einer Anschluss-Spannung einer Batterie direkt nach dem Abschluss eines Lade- oder Entladevorgangs Komponenten auf, die mit der Diffusion von Elektrolyt nicht in Verbindung stehen, wie beispielsweise ein interner spezifischer Widerstand, eine Aktivierungspolarisation und eine Überspannung, die mit der Erzeugung von Gas einhergeht, was einen Fehler beim Ermitteln der Leerlaufspannung verursacht. Daher ist es sinnlos, eine Anschluss-Spannung einer Batterie im Leerlauf für eine Zeitperiode zu messen, während der die Spannung solche Komponenten aufweist, die mit der Diffusion von Elektrolyt nicht in Verbindung stehen.
Da sich die Ermittlungsgenauigkeit in Abhängigkeit von der Messauflösung verschlechtern kann, wenn sich eine Änderung bei der Spannung im Verlauf der Zeit verringert, wird deshalb ferner im Allgemeinen beim Betrachten einer Anschluss- Spannung einer Batterie im Leerlauf für eine Zeitperiode, während der sich die Ermittlungsgenauigkeit aufgrund einer geringen Messauflösung verschlechtert, eine weitere Messung der Anschluss-Spannung sinnlos.
Um die Messung für eine Zeitperiode zu entfernen, während der eine Änderung bei der Anschluss-Spannung Komponenten aufweist, die mit der Diffusion von Elektrolyt nicht in Verbindung stehen, was einen Fehler verursacht, kann dann der Zeitpunkt zum Starten der Messung der Anschluss-Spannung einer Batterie im Leerlauf auf einen Zeitpunkt gesetzt werden, wenn eine bestimmte Zeitperiode Ta nach dem Abschluss des Lade- oder Entladevorgangs abgelaufen ist. Jedoch variiert der Zeitpunkt, an dem die Fehlergrößen ausgeschlossen sind, abhängig vom Batteriezustand, weshalb in dem Fall, wenn der Zeitpunkt zum Starten der Messung der Anschluss-Spannung einheitlich ermittelt wird, abhängig vom Batteriezustand eine Anschluss-Spannung ohne Fehlergrößen gemessen aber nicht verwendet wird, und alternativ wird eine Anschluss-Spannung mit Fehlergrößen gemessen und verwendet.
Um die Messung für eine Zeitperiode zu verhindern, bei der sich die Ermittlungsgenauigkeit infolge einer eingeschränkten Messauflösung verschlechtert, kann der Zeitpunkt zum Beenden der Messung der Anschluss-Spannung auf einen Zeitpunkt gesetzt werden, an dem die spezifische Zeitperiode Tb nach dem Abschluss eines Lade- oder Entladevorgangs abgelaufen ist. Jedoch hängt die Bedeutung der Auflösung von der Größenordnung der Fehlergröße zwischen den Werten der Anschluss-Spannung ab, welche Werte zum Ausführen der Exponential-Approximation verwendet werden. Daher wird, wenn der Zeitpunkt zum Beenden der Messung der Anschluss-Spannung gleichmäßig ermittelt wird, abhängig vom Zustand der Batterie eine Anschluss-Spannung mit guter Auflösung gemessen aber nicht verwendet, und alternativ wird eine Anschluss-Spannung mit schlechter Auflösung gemessen und verwendet.
Selbstverständlich kann eine Zeitperiode, bei der keine Fehlergröße in der Änderung der Anschluss-Spannung vorhanden ist, als unabhängig vom Zustand der Batterie gesetzt angenommen werden. Ist die Zeitdauer der Messung im Voraus aus dem oben angegebenen Gesichtspunkt heraus gesetzt, kann es jedoch ein Problem geben, dass es keine Zeitperiode zum Messen gibt, oder dass die vorbestimmte Zeitperiode nicht notwendigerweise hinreichend ist.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ermitteln der Leerlaufspannung einer Batterie kann die Leerlaufspannung einer Batterie unabhängig vom Zustand der Batterie genau ermittelt werden, wie im Folgenden erläutert.
Zunächst wird die bestimmte Zeitperiode Ta, wie oben definiert, sehr kurz gesetzt, beispielsweise auf 5 min. während der die Anschluss-Spannung im Leerlauf gemessen werden kann, wenn die Fehlergröße schnell ausgeschlossen ist, während die bestimmte Zeitperiode Tb, wie oben beschrieben, sehr lang gesetzt wird, beispielsweise auf 80 min. während der die Anschluss-Spannung im Leerlauf gemessen werden kann, selbst wenn sich die Messauflösung um ein bestimmtes Ausmaß verschlechtert, dann wird die Anschluss-Spannung im Leerlauf in einem Zyklus von beispielsweise 10 s für eine Zeitdauer von Ta bis Tb nach dem Abschluss eines Lade- oder Entladevorgangs gemessen, und dann wird die gemessene Anschluss-Spannung mittels Speicherns in einem Speicher erfasst.
Daher wird die Abtastung der Anschluss-Spannung gestartet, nachdem die bestimmte Zeitperiode Ta, beispielsweise 5 min. abgelaufen ist, nachdem ein Lade- oder Entladevorgang angehalten worden ist, da die Spannungsänderung direkt nach einem Lade- oder Entladevorgang Komponenten aufweist, die mit der Diffusion von Elektrolyt nicht in Verbindung stehen, wie beispielsweise ein interner spezifischer Widerstand, eine Aktivierungspolarisation und eine Überspannung, die mit der Erzeugung von Gas einhergeht, weshalb es möglich ist, dass solche Komponenten, wenn sie mit eingelesen werden, einen Fehler beim Ermitteln der Leerlaufspannung hervorrufen, d. h., sie sind die Fehlergrößen beim Ermitteln einer Leerlaufspannung. D. h., solche Fehlergrößen werden von den Daten zum Erlangen des Exponential-Approximationsausdrucks im Rahmen der Erfindung entfernt.
Ferner ist die Abtastung der Anschluss-Spannung beendet, wenn die bestimmte Zeitperiode Tb, beispielsweise 80 min. abgelaufen ist, nachdem der Lade- oder Entladevorgang angehalten worden ist, und zwar nicht nur, weil es angenehm ist, sondern auch, weil sich die Spannungsänderung im Verlauf der Zeit verringert, wodurch sich die Ermittlungsgenauigkeit der Leerlaufspannung in Abhängigkeit von der Messauflösung möglicherweise verschlechtert, und ferner, weil sich der Einfluss eines Spannungsabfalls infolge eines Dunkelstroms eines Fahrzeugs im Verlauf der Zeit erhöht.
Bzgl. des Definierens einer Mehrzahl von Zeitperioden hinsichtlich der Anschluss-Spannung im Leerlauf, die für die Zeitperiode von Ta bis Tb gemessen und erfasst wird, nachdem ein Lade- oder Entladevorgang abgeschlossen ist, sind in Bezug auf Ta (5 min) beispielsweise die kürzesten Perioden Ta1 (5 min), Ta2 (15 min), Ta3 (25 min), Ta4 (35 min) und Ta5 (45 min) definiert, während in Bezug auf Tb (80 min) beispielsweise die längsten Zeitperioden Tb4 (80 min), Tb3 (60 min), Tb2 (40 min) und Tb1 (20 min) definiert sind. Dann werden in Kombination Ta1-Ta5 und Tb4-Tb1 als die jeweiligen Start- und Endzeitpunkte verwendet, womit eine Mehrzahl von Zeitperioden hinsichtlich der erfassten Anschluss-Spannung im Leerlauf vorbestimmt ist.
D. h., es können in Bezug auf die Anschluss-Spannung im Leerlauf, die für die Zeitperiode von Ta bis Tb gemessen und erfasst wird, nachdem ein Lade- oder Entladevorgang abgeschlossen worden ist, 16 unterschiedliche Zeitperioden vollständig aufgesetzt werden, die von Ta1 bis Tb4, Tb3, Tb2 oder Tb1 verlaufen, von Ta2 bis Tb4, Tb3, Tb2 oder Tb1 verlaufen, von Ta3 bis Tb4, Tb3 oder Tb2 verlaufen, von Ta4 bis Tb4, Tb3 oder Tb2 verlaufen und von Ta5 bis Tb4 oder Tb3 verlaufen.
Da der jüngste Startzeitpunkt und der älteste Endzeitpunkt, wie oben definiert, den Zeitpunkten des Starts bzw. des Endes der Zeitdauer zum Messen und Erfassen der Anschluss-Spannung im Leerlauf entsprechen, müssen die Start- und Endzeitpunkte der Zeitperiode zum Messen und Erfassen der Anschluss- Spannung nicht notwendigerweise separat gesetzt werden. Da das Zeitintervall (d. h. 10 min) zwischen den Startzeitpunkten kleiner gesetzt ist, als das Zeitintervall (d. h. 20 min) zwischen den Endzeitpunkten gesetzt ist, ist es daher ferner möglich, die Zeitperiode hinsichtlich der Komponenten der Spannungsänderung fein einzustellen, die insbesondere direkt nach dem Lade- oder Entladevorgang aufgetreten sind, wobei die Komponenten beispielsweise ein interner spezifischer Widerstand, eine Aktivierungspolarisation und eine Überspannung sind, die mit der Erzeugung von Gas einhergeht, welche Komponenten mit der Diffusion von Elektrolyt nicht in Verbindung stehen, und die Komponenten werden leicht zur Fehlergröße beim Ermitteln einer Leerlaufspannung.
Nachdem die vorbestimmte Zeitdauer Ta (beispielsweise 5 min) abgelaufen ist, nachdem ein Lade- oder Entladevorgang einer Batterie abgeschlossen ist, wird die Anschluss-Spannung der Batterie im Leerlauf in einem Zyklus von beispielsweise 10 s gemessen und erfasst, bis die vorbestimmte Zeitdauer Tb (beispielsweise 80 min) abgelaufen ist. Dann wird in Bezug auf die erfasste Anschluss-Spannung ein Spannungswert, an den sich ein Exponential-Approximationsausdruck im Funktionsverlauf asymptotisch annähert, als eine angenommene Leerlaufspannung der jeweiligen Zeitperiode berechnet, wobei der Exponential-Approximationsausdruck einen Exponenten von -0,5 oder ungefähr -0,5 aufweist und auf der Basis der Anschluss- Spannung der jeweiligen Zeitperiode einer Mehrzahl von vorbestimmten Zeitperioden berechnet wird.
Insbesondere, wenn ein Ladevorgang der Batterie abgeschlossen ist, wie in Fig. 5 gezeigt, wird die angenommene Leerlaufspannung E von der Anschluss-Spannung, die für die jeweilige Zeitperiode erfasst worden ist, subtrahiert, wodurch der Exponential-Approximationsausdruck α.t^D für die jeweilige Zeitperiode berechnet wird.
Ist andererseits ein Entladevorgang der Batterie beendet, wird bzgl. der Anschluss-Spannung der Batterie im Leerlauf eine Komponente von ihr, die infolge der Konzentrationspolarisation abgefallen ist, graduell ausgeschlossen, wodurch sich die Anschluss-Spannung graduell erhöht und sich asymptotisch einer Leerlaufspannung E₀ annähert, die eine Anschluss-Spannung der Batterie in einem Gleichgewichtszustand, beispielsweise nach 24 Stunden, ist. Daher ist im Fall einer Entladung ein Wert, der mittels Subtrahierens der angenommenen Leerlaufspannung E von der Anschluss-Spannung im Leerlauf erlangt worden ist, die für die jeweilige Zeitperiode gemessen worden ist, negativ, da die angenommene Leerlaufspannung E immer größer als der entsprechende Wert des Exponential-Approximationsausdrucks α.t^Dist, weshalb der Absolutwert des Wertes, der durch das Subtrahieren der angenommenen Leerlaufspannung E von der Anschluss-Spannung im Leerlauf erlangt worden ist, verwendet wird, wodurch der Exponential-Approximationsausdruck α.t^D für die jeweilige Zeitperiode berechnet wird.
Wenn der Entladevorgang abgeschlossen ist, wird im Wesentlichen auf der Basis eines Wertes, der durch das Subtrahieren der angenommenen Leerlaufspannung von der Anschluss-Spannung im Leerlauf für jede Zeitperiode erlangt worden ist, ein vorbestimmter Exponential-Approximationsausdruck mit einem negativen Exponenten ermittelt, und die Ermittlung des Exponential-Approximationsausdrucks wird wiederholt durchgeführt, indem die angenommene Leerlaufspannung aktualisiert wird, bis der Exponent des ermittelten Exponential-Approximationsausdrucks -0,5 wird, und dann wird die angenommene Leerlaufspannung, wenn der Exponent -0,5 wird, als eine Leerlaufspannung berechnet.
Tritt ein Fall ein, dass der Exponent nicht -0,5 wird, selbst wenn die Ermittlung des Exponential-Approximationsausdrucks mittels Aktualisierens der angenommenen Leerlaufspannung für vorbestimmte Male wiederholt durchgeführt wird, wird mittels Ausführens der Ermittlung durch Aktualisieren für vorbestimmte Male entschieden, dass der Exponent -0,5 wird, und die angenommene Leerlaufspannung zu dieser Zeit wird als Leerlaufspannung geschätzt, wodurch ein weiterer unnötiger Prozess zum Ermitteln des Exponential-Approximationsausdrucks beseitigt ist.
Nachdem eine Batterie von 0% auf 100% aufgeladen worden ist, wird die Anschluss-Spannung im Leerlauf, die für jede Zeitperiode gemessen worden ist, auf der Basis der Anschluss- Spannung im Leerlauf, die in einem konstanten Zyklus von 10 s für eine Zeitperiode von Ta1 bis Tb4 gemessen worden ist, nachdem der Ladevorgang abgeschlossen worden ist, einer Exponential-Approximation unterzogen, wodurch die angenommene Leerlaufspannung berechnet wird. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1
In Tabelle 1 ist auch eine Differenz der angenommenen Leerlaufspannung in Bezug auf eine angrenzende Zeitperiode dargestellt. Beispielsweise ist gezeigt, dass die angenommene Leerlaufspannung 12,7765 V für die Zeitperiode Ta2-Tb3 beträgt, und dass deren Differenz im Vergleich mit der angenommenen Leerlaufspannung von 12,7600 V für die Zeitperiode Ta2-Tb2 (bezeichnet mit "links" in Tabelle 1) 0,0165, deren Differenz im Vergleich mit der angenommenen Leerlaufspannung von 12,7900 V für die Zeitperiode Ta2-Tb4 (bezeichnet mit "rechts") -0,0135, deren Differenz im Vergleich mit der angenommenen Leerlaufspannung von 12,7752 V für die Zeitperiode Ta1-Tb3 (bezeichnet mit "oben") 0,0013 und deren Differenz im Vergleich mit der angenommenen Leerlaufspannung von 12,7885 V für die Zeitperiode Ta3-Tb3 (bezeichnet mit "unten") -0,0120 beträgt. Ein Leereintrag in Tabelle 1 bedeutet, dass es keine entsprechende angrenzende Zeitperiode gibt.
Wie in Tabelle 1 gezeigt, weist beim Vergleichen der Differenzen zwischen der angenommenen Leerlaufspannung für die jeweilige Zeitperiode und der der angrenzenden Zeitperiode die Zeitperiode Ta1-Tb3 (d. h. 5 min-60 min) die minimale Differenz auf. Ferner hatte die angenommene Leerlaufspannung basierend auf der Anschluss-Spannung im Leerlauf, die für die Zeitperiode Ta1-Tb3 gemessen worden ist, eine sehr kleine Differenz, die etwa 1 mV von einer Anschluss-Spannung aufwies, die gemessen worden ist, nachdem 24 Stunden abgelaufen waren, nachdem ein Ladevorgang abgeschlossen war, und die Batterie in einen Gleichgewichtszustand überging, d. h. ein beobachteter Wert der Leerlaufspannung (in einem Gleichgewichtszustand der Batterie) beträgt 12,77425 V. Es wurde bestätigt, dass es für die anderen Zeitperioden keine angenommene Leerlaufspannung mit einer kleineren Differenz als der oben beschriebenen gab.
Tabelle 2 zeigt ein ähnliches Ergebnis für eine Batterie, die von 0% auf 50% geladen worden ist. In diesem Fall weist die Zeitperiode Ta4-Tb3 (d. h. 35 min-60 min) die minimale Differenz auf. D. h., die angenommene Leerlaufspannung von 12,3040 V weist eine Differenz auf, d. h. etwa 7 mV, im Vergleich mit einem beobachteten Wert der Leerlaufspannung (in einem Gleichgewichtszustand der Batterie) von 12,2969 V auf. Dieser Wert von ungefähr 7 mV ist kleiner als ungefähr 27 mV für die Zeitperiode Ta1-Tb2 (5 min-60 min). Tabelle 2
Demgemäß wird eine angenommene Leerlaufspannung für eine Zeitperiode, bei der die Differenz der Spannung zu einer angenommenen Leerlaufspannung für eine angrenzende Zeitperiode unter den angenommenen Spannungen des offenen Schaltkreises, die für eine Mehrzahl von vorbestimmten Zeitperioden ermittelt worden sind, minimal wird, d. h. eine Zeitperiode, bei der ein Wert, der erlangt wird, indem eine Summation von Absolutwerten einer Differenz zu der angenommenen Leerlaufspannung einer angrenzenden Zeitperiode durch die Anzahl der angrenzenden Zeitperioden dividiert wird, minimal wird, als eine Leerlaufspannung der Batterie gesetzt, wodurch eine Leerlaufspannung genau ermittelt werden kann.
Fig. 2 stellt einen grundlegenden Aufbau einer Vorrichtung zum Ermitteln einer Leerlaufspannung einer Batterie zur Verwendung in einem Fahrzeug gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dar, auf das das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln einer Leerlaufspannung einer Batterie angewendet wird, teilweise durch ein Blockdiagramm gezeigt. Eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Leerlaufspannung einer Batterie zur Verwendung in einem Fahrzeug gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist in einem Hybrid-Fahrzeug mit einem Motor 3 und einem Motor-Generator 5 angebracht.
Hinsichtlich des Hybrid-Fahrzeugs wird in dessen Normalbetrieb lediglich die Ausgangsenergie des Motors 3 auf ein Rad 11 mittels einer Antriebswelle 7 und eines Differenzialgehäuses 9 übertragen, wodurch das Fahrzeug fährt, während im Hochlastbetrieb der Motor-Generator 5 als ein Motor mittels der Elektroenergie von einer Batterie 13 wirkt, wobei die Ausgabeenergie von dem Motor-Generator 5 zusätzlich zu der Ausgabeenergie von dem Motor 3 auf das Rad 11 mittels der Antriebswelle 7 übertragen wird, wodurch dem Fahrzeug beim Fahren eine Unterstützung bereitgestellt wird.
Ferner wirkt hinsichtlich des Hybrid-Fahrzeugs der Motor- Generator 5 als ein Generator auf die Verzögerung oder das Bremsen hin, so dass die kinetische Energie des Fahrzeugs in elektrische Energie umgewandelt wird, wodurch die Batterie 13 geladen wird.
Ferner wird der Motor-Generator 5 als Anlassermotor zum Zwangsdrehen eines Schwungrades des Motors 3 auf das Starten des Motors 3 hin verwendet, das mit dem Einschalten eines Starterschalters (nicht gezeigt) einhergeht. In solch einem Fall empfängt der Motor-Generator 5 einen großen Strom innerhalb einer kurzen Zeitdauer. Startet der Motor 3 mittels des Motor-Generators 5 in Verbindung mit dem Einschalten des Starterschalters, geht der Starterschalter, während der Zündschlüssel (nicht gezeigt) aus der Betriebsposition zurückgeführt wird, in den Aus-Zustand, und der Zündschalter oder ein Hilfsschalter geht in den Ein-Zustand, wodurch der Entladestrom von der Batterie 13 zu einem konstanten Strom wird.
Eine Vorrichtung 1 zum Ermitteln einer Leerlaufspannung einer Batterie zur Verwendung in einem Fahrzeug gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist einen Stromsensor 15, der den Entladestrom I der Batterie 13 in Bezug auf die elektrische Ausrüstung, wie beispielsweise einen Motor zum Unterstützen des Fahrens und einen Motor-Generator 5, und den Lade/Entladestrom von dem Motor-Generator 5 erfasst, und einen Spannungssensor 17 auf, der eine Anschluss-Spannung V der Batterie 13 mit einem Widerstand von ungefähr 1 MΩ erfasst, der mit der Batterie 13 parallel verschaltet ist.
Die Vorrichtung 1 weist ferner einen Mikrocomputer 23 auf, in den die mittels eines Schnittstellenschaltkreises (weiterhin bezeichnet mit I/F) 21 einer A/D-Wandlung unterzogenen Ausgaben vom Stromsensor 15 und vom Spannungssensor 17 eingelesen werden.
Der Mikrocomputer 23 weist eine CPU 23a, ein RAM 23b und ein ROM 23c auf, wobei die CPU 23a mit dem I/F 21 ebenso wie mit dem RAM 23b und dem ROM 23c und ferner mit dem Starterschalter, dem Zündschalter, einem Hilfsschalter und Schaltern für die elektrische Ausrüstung, abgesehen von dem Motor- Generator 5, gekoppelt ist.
Das RAM 23b weist einen Datenbereich zum Speichern verschiedener Daten und einen Arbeitsbereich zur Verwendung bei verschiedenen Verarbeitungsschritten auf. Ein Steuerprogramm ist in dem ROM 23c installiert und bringt die CPU 23a dazu, verschiedene Verarbeitungsschritte auszuführen.
Der Stromwert und der Spannungswert, die die Ausgaben von dem Stromsensor 15 bzw. dem Spannungssensor 17 sind, werden mittels des I/F 21 in die CPU 23a des Mikrocomputers 23 eingelesen.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 7 und 8 ein Prozess zum Ermitteln der Leerlaufspannung einer Batterie gemäß dem in dem ROM 23c installierten Programm, das mit Hilfe der CPU 23a ausgeführt wird, erläutert.
Der Mikrocomputer 23, der den Betrieb mittels Empfangens der elektrischen Energie von der Batterie 13 beginnt, entscheidet mittels Erfassens, ob ein Stromwert 0 ist oder nicht, der erlangt wird, indem eine Ausgabe des Stromsensors 15 abgetastet wird, auf der Basis des Stromwertes, ob ein Lade- oder Entladevorgang abgeschlossen ist oder nicht. Wurde ein Abschluss eines Lade- oder Entladevorgangs als ein Ergebnis der obigen Entscheidung erfasst, wird ein Prozess zum Berechnen einer Leerlaufspannung, wie im Flussdiagramm von Fig. 7 gezeigt, gestartet. Bei dem Prozess wird zunächst ermittelt, ob die vorbestimmte Zeitdauer Ta1 (beispielsweise 5 min) abgelaufen ist, nachdem ein Lade- oder Entladevorgang abgeschlossen worden ist (Schritt S1).
Wird entschieden, dass die Zeit noch nicht abgelaufen ist, ist es notwendig zu warten. Wird entschieden, dass die Zeit abgelaufen ist (JA in Schritt S1), wird eine Anschluss- Spannung der Batterie im Leerlauf in einem Zyklus konstanter Zeitdauer von beispielsweise 10 s unter Verwenden einer Ausgabe des Spannungssensors 17 gemessen, und die gemessene Anschluss-Spannung wird mittels Speicherns in den Datenbereich (entspricht der Erfassungs-Einrichtung) des RAM 23b (Schritt S2) erfasst. Dann wird diese Abtastung der Anschluss-Spannung fortgesetzt, bis die vorbestimmte Zeitdauer Tb4 (beispielsweise 80 min) abgelaufen ist, nachdem ein Lade- oder Entladevorgang abgeschlossen ist (NEIN in Schritt S3).
Ist die Zeitdauer Tb4 abgelaufen (JA in Schritt S3), wird die Zeitperiode Ta mittels Auswählens eines einer Mehrzahl von vorbestimmten Startzeitpunkten, wie beispielsweise 5, 15, 25, und 35 min. innerhalb einer Mess-Zeitperiode, definiert von 5 bis 80 min nach dem Abschluss eines Lade- oder Entladevorgangs, gesetzt (Schritt S4), und ferner wird die Zeitperiode Tb mittels Auswählens eines einer Mehrzahl der vorbestimmten Endzeitpunkte, wie beispielsweise 20, 40, 60 und 80 min, gesetzt, dann wird eine einer Mehrzahl von Zeitperioden mittels Kombinierens der gesetzten Start- und Endzeitpunkte ermittelt (Schritte S4 und S5). Ist die Zeitperiode ermittelt, wird ein Prozess zum Berechnen der angenommenen Leerlaufspannung für die relevante Zeitdauer unter Verwenden der Anschluss-Spannung durchgeführt, die für die Zeitperiode gemessen worden ist (Schritt S6). Dieser Prozess zum Berechnen der angenommenen Leerlaufspannung wird fortgesetzt durchgeführt, bis die Berechnung für all die Zeitperioden abgeschlossen ist (NEIN in Schritt S7).
Ist die angenommene Leerlaufspannung für all die Zeitperioden berechnet, wird bzgl. der angenommenen Leerlaufspannung für die jeweilige Zeitperiode deren Differenz in Bezug auf eine angenommene Leerlaufspannung für eine angrenzende Zeitperiode berechnet, und die berechnete Differenz wird in dem Datenbereich des RAM 23b gespeichert (Schritt S8). Dann wird eine Zeitperiode, bei der die Differenz zu der angenommenen Leerlaufspannung für die angrenzende Zeitperiode minimal ist, ausgewählt, und dann wird die angenommene Leerlaufspannung für die ausgewählte Zeitperiode als Leerlaufspannung der Batterie ermittelt (Schritt S9). Die Auswahl der Zeitperiode, bei der die Differenz zu der angenommenen Leerlaufspannung für die angrenzende Zeitperiode minimal ist, wird tatsächlich mittels Auswählens einer Zeitperiode durchgeführt, bei der ein Wert, der erlangt wird, indem eine Summation von Absolutwerten der Differenz zu der angenommenen Leerlaufspannung in der angrenzenden Zeitperiode durch die Anzahl der angrenzenden Zeitperioden dividiert wird, minimal wird.
Der Prozess zum Berechnen der angenommenen Leerlaufspannung für die jeweilige Zeitperiode in Schritt S6 im Flussdiagramm von Fig. 7 wird tatsächlich gemäß einem Flussdiagramm, gezeigt in Fig. 8, durchgeführt.
Zunächst wird eine Differenz zwischen der Anschluss-Spannung V(t), die für die jeweilige Zeitperiode gemessen worden ist, und der angenommenen Leerlaufspannung E berechnet (Schritt S6a), d. h. in dem Fall, dass ein Ladevorgang abgeschlossen ist, ein Wert der gemessenen Anschluss-Spannung V(t) minus die angenommene Leerlaufspannung E, während in dem Fall nach dem Abschluss eines Entladevorgangs der Absolutwert eines Wertes der gemessenen Anschluss-Spannung V(t) minus die angenommene Leerlaufspannung E berechnet wird, dann wird eine Exponential-Approximation auf diesen berechneten Wert f(t) angewendet, wodurch ein vorbestimmter Exponential- Approximationsausdruck mit einem negativen Exponenten ermittelt wird (Schritt S6b).
Ist der Exponential-Approximationsausdruck ermittelt, wird ermittelt, ob der Exponent des ermittelten Exponential- Approximationsausdrucks gleich -0,5 ist (Schritt S6c), dann wird als Ergebnis der Beurteilung in dem Fall, dass der Exponent D nicht -0,5 erreicht (NEIN in Schritt S6c), die angenommene Leerlaufspannung E aktualisiert (Schritt S6d) und dann zu Schritt S6a zurückgekehrt, ein Prozess des Subtrahierens der angenommenen Leerlaufspannung E von der gemessenen Anschluss-Spannung V(t) wird hinsichtlich der aktualisierten angenommenen Leerlaufspannung durchgeführt. Erreicht der Exponent D -0,5 (JA in Schritt S6c), wird die angenommene Leerlaufspannung E, wenn der Exponent D -0,5 erreicht, in den Datenbereich des RAM 23b als die angenommene Leerlaufspannung für die relevante Zeitperiode gespeichert (Schritt S6e), wodurch eine Reihe von Verarbeitungsschritten beendet ist, und es wird zum Flussdiagramm in Fig. 7 zurückgekehrt.
Erreicht der Exponent des ermittelten Exponential- Approximationsausdrucks nicht ohne Weiteres -0,5, wird, wenn die vorbestimmte Anzahl von Zeiten für die Ermittlung des Exponential-Approximationsausdrucks angewendet worden ist, ein Spannungswert als die angenommene Leerlaufspannung für die relevante Zeitperiode berechnet, und die Reihe von Bearbeitungsschritten kann beendet werden.
Im Flussdiagramm von Fig. 8 wird die Messung in einem konstanten Zyklus von 10 s für die Zeitperiode von Ta1-Tb4 durchgeführt. Der Mikrocomputer kann für eine Zeitperiode in einen Nicht-Betriebszustand gesetzt werden, abgesehen von der Mess-Zeitperiode, die in einem Zyklus von 10 s ausgeführt wird.
Im Folgenden wird ein Verfahren erläutert, wie der Exponential-Approximationsausdruck in Schritt S6b ermittelt wird.
Der Exponential-Approximationsausdruck y = α.t^D kann auch ausgedrückt werden durch:

ln (y) = ln(α) + D.ln (x)
Werden ln(y) gleich Y, ln(α) gleich A und ln(x) gleich X gesetzt, ergibt sich:

Y = A + D.X,

was eine lineare Gleichung ist.
Durch das Berechnen mittels einer Regressionsanalyse ergibt sich für A und D das Folgende.
Ist eine Differenz zwischen dem Approximationsausdruck und den tatsächlichen Daten als e gesetzt, wird dies ausgedrückt durch:

Y_i = A + D.X_i + ∈_i; i = 1, 2, . . ., n.
Da A und D, bei denen ∈_i insgesamt minimal wird, berechnet werden müssen, werden deshalb A und D, bei denen die Summation von ∈_i ² minimal wird, berechnet.
Das obige ist eine Beschreibung der Methode der kleinsten Quadrate. Das Folgende wird gemäß der Methode der kleinsten Quadrate beschrieben.
Wenn diese Gleichungen gleichzeitig gelöst werden, ergibt sich:

ΣY_i - D.ΣX_i - ΣA = 0

ΣX_i.Y_i - D.ΣX_i ² - A.ΣX_i = 0

wodurch gilt:
An dieser Stelle sind X_i Daten der x-Achse, Y_i Daten der y- Achse, n die Anzahl der Daten, X_a der Durchschnitt von X_i und Y_a der Durchschnitt von Y_i.
Da gilt: A = ln(α) wie oben beschrieben, gilt:

α = e^A.
Daher kann der Exponential-Approximationsausdruck y = α.x^D berechnet werden.
Im Folgenden wird ein Verfahren unter Bezugnahme auf Fig. 9 und Tabelle 3 beschrieben, wie die angenommene Leerlaufspannung in Schritt S6d aktualisiert wird. Tabelle 3
Ist die angenommene Leerlaufspannung für jede Zeitperiode berechnet, wird das folgende Verfahren verwendet, um die angenommene Leerlaufspannung zu aktualisieren. Zunächst wird die Exponential-Approximation in Bezug auf beispielsweise eine obere Grenze V(Tb) der angenommenen Leerlaufspannung, eine untere Grenze 0 der angenommenen Leerlaufspannung und einen Zwischenwert

der angenommenen Leerlaufspannung durchgeführt, wie in Fig. 9 gezeigt.
Dann werden die Werte des Exponenten D(V(Tb)), D(0) und

die von den jeweiligen Approximationen erlangt worden sind, miteinander verglichen, d. h. ein Vergleich, ob D für den Zwischenwert der angenommenen Leerlaufspannung gleich -0,5 ist oder nicht, wird durchgeführt, und wenn er nicht gleich -0,5 ist, wird ein Vergleich durchgeführt, ob D größer oder kleiner als -0,5 ist. Ist D für den Zwischenwert der angenommenen Leerlaufspannung ungleich -0,5, wird in Bezug auf einen Bereich, der Daten aufweist, die -0,5 entsprechen, d. h. im Beispiel von Tabelle 3, einen Bereich zwischen dem Zwischenwert der angenommenen Leerlaufspannung und der oberen Grenze der angenommenen Leerlaufspannung, ein Wert D für eine geteilte angenommene Leerlaufspannung

berechnet, und der Vergleich wird mittels Berechnung wiederholt, bis D zu -0,5 wird. Ein tatsächliches Beispiel ist in Tabelle 3 gezeigt. In Tabelle 3, abgesehen von der Anzahl 1 sind die Werte für den Exponenten D für die untere Grenze, die Zwischenwerte und die obere Grenze berechnet, jedoch ist in Bezug auf eine weitere Suche nach der ersten Suche die Berechnung für den Exponenten D nur für den Zwischenwert notwendig.
In solch einem Fall, dass der Exponent nicht -0,5 wird, selbst wenn die Aktualisierung der angenommenen Leerlaufspannung wiederholt durchgeführt wird, wird zu einem Zeitpunkt, an dem die Differenz zwischen der unteren und der oberen Grenze der angenommenen Leerlaufspannung ungefähr 0,001 V erreicht, ermittelt, dass der Exponent nicht -0,5 wird, und die angenommene Leerlaufspannung wird zu diesem Zeitpunkt als Leerlaufspannung geschätzt, wodurch eine weitere unnötige Bearbeitung zum Ermitteln des Exponential- Approximationsausdrucks beseitigt ist.
Der Grund, warum die ursprüngliche obere Grenze der angenommenen Leerlaufspannung auf V(Tb) gesetzt ist, ist der, dass eine Leerlaufspannung niemals größer als V(Tb) wird. Ein Wert einer Leerlaufspannung nach dem Abschluss einer Entladung (d. h. die elektrische Kapazität ist 0%) kann als die untere Grenze der angenommenen Leerlaufspannung verwendet werden, selbst wenn eine Tiefentladung stattfindet, bei der der relevante Wert möglicherweise geringer ist als die Leerlaufspannung nach dem Abschluss einer Entladung (d. h. einer elektrischen Kapazität von 0%), weshalb der Initial- Wert auf 0 V gesetzt ist.
Bei der Vorrichtung 1 zum Berechnen einer Leerlaufspannung einer Batterie zur Verwendung in einem Fahrzeug gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel stellt der Schritt S2 im Flussdiagramm von Fig. 7 einen Prozess dar, der der Mess- Einrichtung, wie im Anspruch beschrieben, entspricht, und die Schritte S4-S6 stellen einen Prozess dar, der der Berechnungs-Einrichtung, wie im Anspruch beschrieben, entspricht.
Im Folgenden wird eine Aktion zum Ermitteln einer Leerlaufspannung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel erläutert.
Ist die elektrische Ausrüstung (die Last) abgesehen von dem Motor-Generator 5 in einem Hybrid-Fahrzeug in Betrieb, oder ist der Motor-Generator 5 derart in Betrieb, dass er als ein Motor wirkt, wird die Batterie 13 einer Entladung unterzogen, während, wenn der Motor-Generator 5 derart in Betrieb ist, dass er als ein Generator wirkt, auf die Batterie 13 ein Ladevorgang ausgeübt wird. Ein Lade- oder Entladevorgang der Batterie 13 kann mittels Einlesens einer Ausgabe des Stromsensors 15 erfasst werden, und der Abschluss des Lade- oder Entladevorgangs kann ebenfalls dadurch erfasst werden, dass bekannt ist, dass die Ausgabe von dem Stromsensor 15 gleich 0 ist.
Wird der Abschluss eines Lade- oder Entladevorgangs mittels der Ausgabe von dem Stromsensor 15 erfasst, wird eine Ausgabe von dem Spannungssensor 17 eingelesen, wodurch eine Anschluss-Spannung der Batterie im Leerlauf periodisch gemessen wird, dann werden diese gemessenen Spannungswerte zusammen mit einer Dauer der nach dem Abschluss eines Lade- oder Entladevorganges abgelaufenen Zeit in dem Datenbereich des RAM 23b gespeichert und erfasst.
Eine Mehrzahl von vorbestimmten Zeitperioden wird in Bezug auf die erfasste Anschluss-Spannung der Batterie im Leerlauf gesetzt, dann wird die angenommene Leerlaufspannung E von der Anschluss-Spannung V(t) für die jeweilige Zeitperiode subtrahiert, wodurch der Exponential-Approximationsausdruck mittels Anwendens der Methode der kleinsten Quadrate auf die Werte ermittelt wird, die mittels der Subtraktion erlangt worden sind. Es wird entschieden, ob ein Exponent D des ermittelten Exponential-Approximationsausdrucks α.t^D zu -0,5 wird oder nicht. Wird er nicht -0,5, wird die angenommene Leerlaufspannung E aktualisiert, und ein gleicher Prozess wird ausgeführt, um den Exponential-Approximationsausdruck α.t^D für die jeweilige Zeitperiode auszuführen. Solch eine Aktion wird wiederholt ausgeführt, bis der Exponent -0,5 oder ungefähr -0,5 wird, dann wird zu diesem Zeitpunkt ein Spannungswert als die angenommene Leerlaufspannung für die relevante Zeitperiode erlangt. Die Bestätigung, dass der Exponent ungefähr -0,5 wird, kann dadurch ausgeführt werden, dass bekannt ist, dass die Anzahl der Ermittlungen des Exponential-Approximationsausdrucks eine vorbestimmte Anzahl wird, oder dadurch, dass bekannt ist, dass der Bereich der angenommenen Leerlaufspannung kleiner als ein vorbestimmter Bereich wird.
Die angenommene Leerlaufspannung, die so für die jeweilige Zeitperiode erlangt worden ist, ist eine Asymptote des Exponential-Approximationsausdrucks α.t^D. Daher verschiebt sich die angenommene Leerlaufspannung nicht, selbst wenn sich die Asymptote des Exponential-Approximationsausdrucks α.t^D in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, oder selbst, wenn sich die Zeitdauer Ta oder Tb unterscheidet. Daher gibt es überhaupt kein Erfordernis einer Temperaturkompensation, und die angenommene Leerlaufspannung kann so verwendet werden, wie sie ist, selbst wenn sich ein Merkmal der Batterie ein wenig unterscheidet. Ferner kann eine Leerlaufspannung jederzeit ermittelt werden, wenn ein Lade- oder Entladestrom innerhalb der Zeitperiode von Ta1 bis Tb4 nach dem Abschluss eines Lade- oder Entladevorgangs nicht fließt, d. h., eine Leerlaufspannung kann häufig ermittelt werden.
Bei der oben beschriebenen Erläuterung wird die Asymptote des Exponential-Approximationsausdrucks derart betrachtet, dass sie sich nicht in Abhängigkeit von der Temperatur ändert.
Dies folgt daraus, dass, obwohl sich eine Leerlaufspannung genau genommen leicht ändert, wenn sich die Temperatur ändert, die Änderung bei der Leerlaufspannung vernachlässigbar klein ist.
Die Erfindung kann effektiv bei einem Fahrzeug, wie beispielsweise einem Hybrid-Fahrzeug, angewendet werden, bei dem ein Motor-Generator wiedergewonnene elektrische Energie in eine Batterie lädt, um so den Ladezustand der Batterie angemessen genau zu kennen und die Effizienz in Bezug auf den Kraftstoffverbrauch unter Verwendung der Batterie effektiv zu verbessern.
Bei dieser Beschreibung ist eine Anschluss-Spannung einer Batterie, die durch Polarisation und dergleichen beeinflusst wird, als die Anschluss-Spannung einer Batterie im Leerlauf definiert, während eine Anschluss-Spannung im Leerlauf einer Batterie in einem Gleichgewichtszustand als Leerlaufspannung definiert ist.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wie oben beschrieben, ist die Ermittlung der Leerlaufspannung einer Batterie in einem Hybrid-Fahrzeug erläutert. Jedoch kann die Erfindung ebenso auf die Ermittlung einer Leerlaufspannung einer Batterie angewendet werden, die in verschiedenen Fahrzeugen eingebaut ist, wie beispielsweise allgemeinen 14 V-Fahrzeugen, Fahrzeugen mit mehreren Energiequellen, wie beispielsweise 14 V und 42 V, in Elektrofahrzeugen und gewöhnlichen Benzinmotor-Fahrzeugen.
Bei dem oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel wird bei dem in Tabelle 1 gezeigten Beispiel die Messung für 80 min ausgeführt, nachdem ein Lade- oder Entladevorgang abgeschlossen ist. Jedoch reicht, wenn die Auflösung der Analog-zu-Digital-Wandlung ungefähr 5 mV oder dergleichen auf das Lesen der gemessenen Anschluss-Spannung einer Batterie im Leerlauf hin beträgt, die Messung bis zu 60 min aus, und die Messung bis zu 80 min ist nicht notwendig.
Bei dem oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist für Ta das Zeitintervall auf 10 min und für Tb das Zeitintervall auf 20 min gesetzt. Jedoch können diese Zeitintervalle entsprechend kürzer als diese Einstellung gesetzt werden. Grundsätzlich sollte sich die Genauigkeit bis zu einem gewissen Ausmaß verbessern, wenn ein kurzes Zeitintervall verwendet wird. Da die Spannungsdifferenz jedoch zwischen den angrenzenden Zeitperioden ausreichend klein ist, sind die Zeitintervalle wie 10 min für Ta und 20 min für Tb, wie oben beschrieben, beispielsweise sehr zufrieden stellend.

Claims

1. Verfahren zum Ermitteln einer Leerlaufspannung einer Batterie, die eingerichtet ist, einer Last elektrische Energie zuzuführen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Messen und Erfassen einer Anschluss-Spannung der Batterie im Leerlauf in einem bestimmten Zyklus nach dem Abschluss eines Lade- oder Entladevorgangs;
Berechnen eines Spannungswertes, an den sich ein Exponential-Approximationsausdruck im Funktionsverlauf asymptotisch annähert, als eine angenommene Leerlaufspannung für jede Zeitperiode von der erfassten Anschluss-Spannung, wobei der Exponential- Approximationsausdruck einen Exponenten von -0,5 oder ungefähr -0,5 aufweist und auf der Basis der Anschluss- Spannung für die jeweilige Zeitperiode aus einer Mehrzahl von vorbestimmten Zeitperioden ermittelt wird; und
Ermitteln der angenommenen Leerlaufspannung einer Zeitperiode, bei der die Differenz von der angenommenen Leerlaufspannung einer angrenzenden Zeitperiode minimal wird, als eine Leerlaufspannung.

2. Verfahren zum Ermitteln einer Leerlaufspannung einer Batterie gemäß Anspruch 1, wobei die jeweilige Zeitperiode einer Mehrzahl von vorgeschriebenen Zeitperioden durch eine Kombination eines aus einer Mehrzahl von Startzeitpunkten und eines aus einer Mehrzahl von Endzeitpunkten definiert wird, die mit einer Ablaufzeit nach dem Abschluss eines Lade- oder Entladevorgangs der Batterie vorbestimmt sind.

3. Verfahren zum Ermitteln einer Leerlaufspannung einer Batterie gemäß Anspruch 2, wobei der jüngste der Startzeitpunkte und der älteste der Endzeitpunkte einem Start bzw. einem Ende der Zeitperiode entsprechen, während der die Anschluss-Spannung der Batterie im Leerlauf gemessen und erfasst wird.

4. Verfahren zum Ermitteln einer Leerlaufspannung einer Batterie gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei ein Intervall zwischen einer Mehrzahl der Startzeitpunkte kleiner ist als das Intervall zwischen der Mehrzahl der Endzeitpunkte.

5. Verfahren zum Ermitteln einer Leerlaufspannung einer Batterie gemäß einem der Ansprüche 1-4, wobei eine Zeitperiode, bei der ein Wert mittels Dividierens einer Summation von Absolutwerten einer Differenz von der angenommenen Leerlaufspannung einer angrenzenden Zeitperiode durch die Anzahl der angrenzenden Zeitperioden minimal wird, als eine Zeitperiode gesetzt wird, bei der eine Differenz zu der angenommenen Leerlaufspannung einer angrenzenden Zeitperiode minimal wird.

6. Verfahren zum Ermitteln einer Leerlaufspannung einer Batterie gemäß einem der Ansprüche 1-5, wobei, wenn die Anschluss-Spannung im Leerlauf nach dem Abschluss eines Ladevorgangs erfasst ist, auf der Basis eines Differenzwertes zwischen der Anschluss-Spannung im Leerlauf für die jeweilige Zeitperiode und einer angenommenen Leerlaufspannung ein vorbestimmter Exponential-Approximationsausdruck mit einem negativen Exponenten ermittelt wird, und wobei die Ermittlung des Exponential-Approximationsausdrucks mittels Aktualisierens der angenommenen Leerlaufspannung wiederholt durchgeführt wird, bis der Exponent des ermittelten Exponential-Approximationsausdrucks -0,5 oder ungefähr -0,5 wird, wodurch ein Spannungswert berechnet wird, an den sich der Exponential-Approximationsausdruck im Funktionsverlauf asymptotisch annähert.

7. Verfahren zum Ermitteln einer Leerlaufspannung einer Batterie gemäß einem der Ansprüche 1-6, wobei, wenn die Anschluss-Spannung im Leerlauf nach dem Abschluss eines Entladevorgangs erfasst ist, auf der Basis des Absolutwertes eines Wertes, der mittels Subtrahierens der angenommenen Leerlaufspannung von der Anschluss-Spannung im Leerlauf für die jeweilige Zeitperiode erlangt worden ist, und auf der Basis eines Differenzwertes zwischen der Anschluss-Spannung im Leerlauf für die jeweilige Zeitperiode und einer angenommenen Leerlaufspannung ein vorbestimmter Exponential-Approximationsausdruck mit einem negativen Exponenten ermittelt wird, und wobei die Ermittlung des Exponential-Approximationsausdrucks mittels Aktualisierens der angenommenen Leerlaufspannung wiederholt durchgeführt wird, bis der Exponent des ermittelten Exponential-Approximationsausdrucks -0,5 oder ungefähr -0,5 wird, wodurch ein Spannungswert berechnet wird, an den sich der Exponential-Approximationsausdruck im Funktionsverlauf asymptotisch annähert.

8. Verfahren zum Ermitteln einer Leerlaufspannung einer Batterie gemäß einem der Ansprüche 1-7, wobei der Exponential-Approximationsausdruck durch α.t^D ausgedrückt ist, wobei t die Zeit ist, a ein unbekannter Koeffizient ist und D ein unbekannter negativer Exponent ist.

9. Verfahren zum Ermitteln einer Leerlaufspannung einer Batterie gemäß Anspruch 8, wobei die Anschluss-Spannung im Leerlauf für die jeweilige Zeitperiode auf eine optionale Anzahl größer oder gleich 2 gesetzt ist, und wobei die Anschluss-Spannung der optionalen Anzahl einer Regressionsberechnung unterzogen wird, wodurch der Exponent D des Exponential-Approximationsausdrucks berechnet wird.

10. Vorrichtung zum Ermitteln einer Leerlaufspannung einer Batterie, die eingerichtet ist, einer Last elektrische Energie zuzuführen, aufweisend:
eine Mess-Einrichtung zum Messen einer Anschluss-Spannung der Batterie im Leerlauf in einem bestimmten Zyklus nach dem Abschluss eines Lade- oder Entladevorgangs der Batterie;
eine Erfassungs-Einrichtung zum Erfassen der Anschluss- Spannung der Batterie im Leerlauf, die mittels der Mess- Einrichtung gemessen worden ist; und
eine Berechnungs-Einrichtung zum Berechnen eines Spannungswertes, an den sich ein Exponential- Approximationsausdruck im Funktionsverlauf asymptotisch annähert, als eine angenommene Leerlaufspannung der jeweiligen Zeitperiode von der Anschluss-Spannung, die mittels der Erfassungs-Einrichtung erfasst worden ist, wobei der Exponential-Approximationsausdruck einen Exponenten von -0,5 oder ungefähr -0,5 aufweist und auf der Basis der Anschluss-Spannung für die jeweilige Zeitperiode aus einer Mehrzahl von vorbestimmten Zeitperioden ermittelt wird,
wobei die angenommene Leerlaufspannung einer Zeitperiode, bei der die Differenz zu der angenommenen Leerlaufspannung einer angrenzenden Zeitperiode minimal wird, als eine Leerlaufspannung ermittelt wird.