DE10337064A1 - Determination method for the high-current carrying capacity of a battery, wherein parameters of a model of the battery impedance are determined and from them its current carrying ability predicted - Google Patents

Determination method for the high-current carrying capacity of a battery, wherein parameters of a model of the battery impedance are determined and from them its current carrying ability predicted

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DE10337064A1
DE10337064A1 DE2003137064 DE10337064A DE10337064A1 DE 10337064 A1 DE10337064 A1 DE 10337064A1 DE 2003137064 DE2003137064 DE 2003137064 DE 10337064 A DE10337064 A DE 10337064A DE 10337064 A1 DE10337064 A1 DE 10337064A1
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Stephan Dipl.-Ing. Buller
Doncker Rik W. Prof. Dr. Ir. De
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Rolf Naumann
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Akkumulatorenfabrick Moll GmbH and Co KG
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    • GPHYSICS
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    • G01R31/3693Various constructional arrangements for determining the ability of a battery to perform a critical function, e.g. cranking

Abstract

Method for determining or predicting the high current carrying capacity of a battery in which the parameters of a model of the battery impedance are determined and from them the current carrying ability of the battery is determined. The invention also relates to a corresponding device for implementation of the inventive method.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Vorhersage der Hochstrombelastbarkeit einer Batterie, insbesondere einer Starterbatterie für ein Kraftfahrzeug, und eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens. The invention relates to a method for the determination and / or prediction of the high current capacity of a battery, in particular a starter battery for a motor vehicle, and an apparatus for performing such a method.
  • Die Vorhersage des Verhaltens eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere einer Batterie, in unterschiedlichen Betriebsarten ist von großer Bedeutung für das Energiemanagement eines Fahrzeugs, insbesondere auch für sicherheitsrelevante Funktionen. Predicting the behavior of an electrical energy store, in particular a battery, in different modes of operation is of great importance for the energy management of a vehicle, in particular for safety-related functions. Der kritischste Betriebsmodus ist die Belastung des Energiespeichers bzw. der Batterie mit einem hohen Entladestrom. The most critical operation mode, the load of the energy accumulator or the battery with a high discharge current. Ein Beispiel von besonderer Bedeutung ist der Startvorgang eines Verbrennungsmotors, bei dem die notwendige Mindestdrehzahl durch einen elektrischen Anlasser erzeugt wird, der von einem elektrischen Energiespeicher, in der Regel einem Blei-Säure-Akkumulator, gespeist wird. An example of particular importance is the starting process of an internal combustion engine in which the necessary minimum speed is generated by an electric starter motor, which is fed by an electric energy storage device, usually a lead-acid accumulator. Andere Anwendungsfälle sind insbesondere das elektrohydraulische Bremsen, elektrische Lenken und elektrisch unterstützte Anfahren oder Beschleunigen, wie es in Zukunft zunehmend zum Einsatz kommen wird, insbesondere in Hybridfahrzeugen. Other applications are in particular the electro-hydraulic brakes, power steering and electrically assisted starting or accelerating, as it will in the future increasingly used, especially in hybrid vehicles. Diesen Betriebsarten ist gemeinsam, daß sie zum einen mit einem hohen Entladestrom verbunden sind und zum anderen nur relativ kurz, im allgemeinen nur einige Sekunden, andauern. These modes have in common that they are the one associated with a high discharge current and the other only a short time, usually only a few seconds to stop.
  • Wenn die Spannung während dieses Vorgangs eine Mindestspannung unterschreitet, ist es nicht möglich, eine ausreichende Leistung aus dem Energiespeicher bzw. der Batterie zu entnehmen, um den Vorgang erfolgreich zu beenden. If the voltage during this operation falls below a minimum voltage, it is not possible to take a sufficient power from the energy accumulator or the battery to end the operation successfully.
  • Um die Leistungsfähigkeit einer Starterbatterie eines Kraftfahrzeugs zu bestimmen oder vorherzusagen sind unterschiedliche Ansätze bekannt. In order to determine or predict the performance of a starting battery of a motor vehicle are known different approaches.
  • In einigen Fällen wird hierzu der Startverlauf selbst ausgewertet, um auf den Batteriezustand zu schließen. In some cases, this the starting course is evaluated itself to close on the battery condition. Nach der After DE 199 50 424 A1 DE 199 50 424 A1 wird aus Wertepaaren von Spannung und Strom eine Batterieimpedanz bestimmt und deren Verlauf während eines Startvorgangs ausgewertet. is determined from pairs of values ​​of voltage and current, a battery impedance and evaluated the course of which during a starting operation. Die Veränderung dieser Impedanz als Funktion der Ladungsmenge wird als Kriterium für die Güte des Akkumulators herangezogen. The change in this impedance as a function of the charge quantity is taken as a criterion for the quality of the accumulator. Bei der In the DE 199 50 424 A1 DE 199 50 424 A1 wird aus einem vergangenen Hochstrom-Entladevorgang auf einen zukünftigen, ähnlichen Vorgang geschlossen. is closed from a past high-current discharge process to a future, similar operation. Dies bedeutet, daß periodisch ein zumindest ähnlicher Vorgang mit hoher Strombelastung stattfinden muß. This means that periodically an at least similar operation must take place with a high current load. Ist dies nicht der Fall, erfolgt keine ausreichend genaue Bestimmung der Parameter. If this is not the case, there is no sufficiently accurate determination of the parameters.
  • Andere Verfahren bestimmen ebenfalls den Widerstand bzw. Impedanzwerte durch Division zusammengehöriger Spannungs- und Stromänderungen. Other methods also determine the resistance or impedance values ​​by dividing of related voltage and current changes. Nach der After DE 25 00 058 DE 25 00 058 geschieht diese Widerstandsbestimmung während einer Anregung durch ein Stromsignal. this resistance determination occurs during excitation by a current signal. Aus der From the US 63 31 762 US 63 31 762 ist ein ähnliches Verfahren bekannt, wobei vorhandene Stromschwankungen im Bordnetz eines Fahrzeugs ausgenutzt werden können. discloses a similar method in which existing power fluctuations in the electrical system of a vehicle can be exploited. Basierend auf der vereinfachten Annahme, ein elektrochemischer Akkumulator lasse sich durch eine Spannungsquelle mit Innenwiderstand darstellen, wird aus dem Innenwiderstand auf die Leistungsfähigkeit geschlossen. Based on the simplified assumption an electrochemical battery'll be represented by a voltage source with internal resistance, is closed from the internal resistance on performance. Nach der After DE 25 00 058 DE 25 00 058 wird hauptsächlich der rein ohmsche Anteil zur Bewertung des Batteriezustandes und zur Abschätzung der Startfähigkeit herangezogen. mainly the purely resistive component for the evaluation of battery status and to estimate the starting ability is used. Die Aussage bezieht sich damit auf den Spannungseinbruch bei Belastung, nicht jedoch auf die Dauer des Startvorgangs. The statement is referring to the voltage drop under load, but not on the duration of the boot. Das Batterieverhalten ist dabei deutlich komplexer und kann nicht nur von diesem Parameter dargestellt werden. The battery performance is significantly more complex and can be displayed not only on this parameter. Die vorbekannten Verfahren erlauben darüber hinaus nur eine einfache Ja/Nein-Entscheidung und keine qualitative Aussage über die Startfähigkeit. The prior art methods also allow a simple yes / no decision and no qualitative statement about the starting capacity.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein vorteilhaftes Verfahren und eine vorteilhafte Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Vorhersage der Hochstrombelastbarkeit einer Batterie vorzuschlagen. The object of the invention is to provide an advantageous method and an advantageous device for determining and / or prediction of the high current carrying capacity of a battery.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. According to the invention this object is achieved in a method of the aforementioned kind by the features of claim 1. Die Lösung bei einer Vorrichtung der eingangs angegebenen Art erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 16. The solution, in a device of the aforementioned kind is done by the features of claim sixteenth
  • Bei dem Verfahren zur Bestimmung und/oder Vorhersage der Hochstrombelastbarkeit einer Batterie werden die Parameter eines Modells der Batterieimpedanz bestimmt. In the method for determination and / or prediction of the high current carrying capacity of a battery, the parameters of a model of the battery impedance are determined. Daraus wird die Hochstrombelastbarkeit der Batterie bestimmt. From this, the high current capacity of the battery is determined. In entsprechender Weise ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Vorhersage der Hochstrombelastbarkeit einer Batterie durch einen Controller, vorzugsweise einen Mikrocontroller, zum Bestimmen der Parameter eines Modells der Batterieimpedanz und zum Bestimmen der Hochstrombelastbarkeit der Batterie gekennzeichnet. In a corresponding manner, an inventive device for determination and / or prediction of the high current carrying capacity of a battery by a controller, preferably in a microcontroller, for determining the parameters of a model of the battery impedance and for determining the high current capacity of the battery. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Advantageous developments of the invention are described in the subclaims.
  • Durch die Erfindung wird eine zuverlässige Vorhersage des Klemmenverhaltens des Energiespeichers bzw. der Batterie während einer Hochstrombelastung ermöglicht. The invention provides a reliable prediction of the terminal behavior of the energy accumulator or the battery is made possible while a high current load.
  • Vorteilhaft ist es, die Parameter des Modells der Batterieimpedanz aus den gleichzeitigen Messungen der beiden Meßgrößen Batteriespannung und Batteriestrom zu bestimmen. to determine the parameters of the model of the battery impedance from the simultaneous measurements of the two measurement variables battery voltage and battery current is advantageous.
  • Vorteilhaft ist, wenn die Messungen in einem begrenzten Frequenzband durchgeführt und/oder ausgewertet werden. It is advantageous if the measurements are carried out in a limited frequency band and / or evaluated. Es ist allerdings auch möglich, die Messungen in mehreren Frequenzbändern durchzuführen bzw. auszuwerten. However, it is also possible to carry out and evaluate the measurements in several frequency bands. Vorteilhaft ist es, wenn analoge und/oder digitale Filter das Frequenzband der Meßwerte begrenzen, so daß nur ein gewünschtes Frequenzband ausgewertet wird. it when analog and / or digital filters limit the frequency band of the measured values, so that only a desired frequency band is evaluated is advantageous. Die Anpassung der Filtergrenzen kann automatisiert werden, insbesondere unter Auswertung des Leistungsintegrals im gewählten Frequenzband. The adaptation of the filter limits can be automated, in particular by evaluating the integral power in the selected frequency band.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter des Modells der Batterieimpedanz durch ein Auswerteverfahren bestimmt werden. A further advantageous development is characterized in that the parameters of the model of the battery impedance are determined by an evaluation method. Vorzugsweise handelt es sich um ein integrierendes Auswerteverfahren. Preferably, it is an integrating evaluation.
  • Die Bestimmung der Parameter des Modells der Batterieimpedanz gelingt durch die Auswertung der Wechselanteile der Meßgrößen. The determination of the parameters of the model of the battery impedance is achieved through the evaluation of the AC components of the measured variables.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Realteil der Batterieimpedanz aus den mittelwertfreien Wechselanteilen des Batteriestroms und der Batteriespannung in einem Frequenzintervall um eine mittlere Frequenz bestimmt wird. A further advantageous development is characterized in that the real part of the impedance of the battery from the zero-mean AC components of the battery current and the battery voltage is determined in a frequency interval around an average frequency. Dies erfolgt vorzugsweise nach folgender Formel: This is preferably done according to the following formula:
    Figure 00040001
  • Hierin bezeichnen i k und u k die zeitdiskret abgetasteten Werte des Batteriestroms i(t) und der Batteriespannung u(t), die über ein Intervall einer Anzahl (N) von Zeitschritten summiert werden. Herein, i k and u k denote the time-discrete sampled values of the battery current i (t) and the battery voltage u (t) (N) are summed over an interval of time steps a number.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden die Parameter des Modells der Batterieimpedanz aus einem funktionellen Zusammenhang von Meßgrößen bestimmt, die bei einer oder mehreren Frequenzen bestimmt werden. According to a further advantageous development, the parameters of the model of the battery impedance from a functional relationship of measurement variables are determined, which are determined at one or more frequencies.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Meßgrößen an einem Betriebspunkt gemessen werden und daß die Bestimmung und/oder Vorhersage der Hochstrombelastbarkeit für einen anderen Betriebspunkt erfolgt. A further advantageous development is characterized in that one or more variables are measured at an operating point, and in that the determination and / or prediction of the high current carrying capacity for a different operating point is carried out.
  • Die Parameter des Modells der Batterieimpedanz können kontinuierlich bestimmt werden. The parameters of the model of the battery impedance can be continuously determined. Die vorzugsweise online ermittelten Meßgrößen können zur kontinuierlichen Parametrierung des Modells der Batterieimpedanz genutzt werden. The variables preferably determined online can be used for continuous parameterization of the model of the battery impedance.
  • Das Modell der Batterieimpedanz kann ein modular aufgebautes Ersatzschaltbild sein. The model of the battery impedance may be a modular equivalent circuit. Vorzugsweise umfaßt das Ersatzschaltbild konzentrierte Elemente oder besteht das Ersatzschaltbild aus konzentrierten Elementen. Preferably, the equivalent circuit comprises lumped elements, or is the equivalent circuit diagram of lumped elements. In bestimmten Anwendungsfällen kann es vorteilhaft sein, wenn das Ersatzschaltbild aus einer geringen oder minimalen oder geringstmöglichen Anzahl von konzentrierten Elementen besteht. In certain applications it may be advantageous if the equivalent circuit diagram consisting of a small or minimal or minimum number of lumped elements. Das Ersatzschaltbild kann für die einzelnen Zeitbereiche der Vorhersage vollständig oder partiell angewendet oder verwendet werden. The equivalent circuit diagram can be used completely or partially for the individual time ranges predicting or used.
  • Das Modell der Batterieimpedanz und/oder dessen Parametrierung können Bestandteil eines Vorhersagealgorithmus, insbesondere eines adaptiven Vorhersagealgorithmus, sein. The model of the battery impedance and / or its parameters may be part of a prediction algorithm, in particular an adaptive prediction algorithm.
  • Als Meßgrößen können im Bordnetz vorhandene Signale verwendet werden. Measured quantities in the electrical system existing signals can be used. In diesem Fall arbeitet das Verfahren passiv. In this case the method is passive. Stattdessen oder zusätzlich ist es allerdings auch möglich, daß Meßgrößen durch Aufprägen von einem oder mehreren Signalen, vorzugsweise Stromsignalen und/oder Spannungssignalen, erzeugt werden. Instead, or additionally, it is also possible, however, that measurement values ​​are generated by impressing one or more signals, preferably current signals and / or voltage signals. Das Verfahren arbeitet in diesem Fall also aktiv. The process works in this case active. Anstelle einer oder beider der genannten Möglichkeiten oder zusätzlich zu einer oder beider dieser Möglichkeiten können die Meßgrößen durch das Schalten von Lasten erzeugt werden, vorzugsweise durch das Schalten von im Fahrzeug vorhandenen Lasten. the measured values ​​can be generated by the switching of loads in place of one or both of the above possibilities or in addition to one or both of these ways, preferably by switching in the vehicle loads.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt vorzugsweise einen Bandpassfilter für die Wechselanteile der Batteriespannung und/oder einen Bandpassfilter für die Wechselanteile des Batteriestroms oder für eine die Wechselanteile des Batteriestroms repräsentierende Spannung. The device of the invention preferably comprises a bandpass filter for the ac components of the battery voltage and / or a band-pass filter for the alternating components of the battery current or for the AC components of the battery current representing voltage.
  • Der Controller bzw. Mikrocontroller kann der bereits im Fahrzeug vorhandene Controller bzw. Mikrocontroller sein. The controller or microcontroller may be the one existing in the vehicle controller or microcontroller.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung im einzelnen erläutert. An embodiment of the invention will be explained below with reference to the accompanying drawings in detail. In der Zeichnung zeigt In the drawing
  • 1 1 ein modular aufgebautes Ersatzschaltbild der Batterieimpedanz mit konzentrierten Elementen und a modular equivalent circuit of the battery impedance lumped and
  • 2 2 ein Schaltbild für eine Kraftfahrzeug-Batterie. a circuit diagram for an automotive battery.
  • 1 1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Energiespeichers shows an equivalent circuit diagram of an energy storage 1 1 , insbesondere einer Batterie für ein Kraftfahrzeug, mit konzentrierten Elementen, nämlich einem Innenwiderstand R i , der mit einem RC-Glied und einer Impedanz Z S in Reihe geschaltet ist, wobei das RC-Glied aus einer Parallelschaltung eines Widerstands R CT und eines Kondensators C DL besteht. , In particular a battery for a motor vehicle, with lumped elements, namely, an internal resistance R i, which is connected with an RC element and an impedance Z S in series, wherein the RC circuit consists of a parallel circuit of a resistor R CT and a capacitor C DL is.
  • Das Schaltbild gemäß The diagram in 2 2 zeigt eine Batterie shows a battery 1 1 für ein Kraftfahrzeug, die eine Last, nämlich ein Bordnetz for a motor vehicle having a load, namely a vehicle electrical system 2 2 , speist. , Fed. Mit dem Bordnetz The onboard network 2 2 ist ein Generator is a generator 3 3 parallel geschaltet. connected in parallel. Im Stromkreis der Batterie ist ein Stromsensor In the circuit of the battery is a current sensor 4 4 mit einem Meßausgang in Reihe geschaltet. connected to a measurement output in series. Der Meßausgang des Stromsensors The measurement output of the current sensor 4 4 liefert ein Spannungssignal an den Bandpass-Filter provides a voltage signal to the bandpass filter 5 5 . , Parallel zur Batterie Parallel to the battery 1 1 ist eine Spannungsmessung is a voltage measurement 6 6 geschaltet, die ein Spannungssignal an den Bandpass-Filter connected to a voltage signal to bandpass filter 7 7 abgibt. emits.
  • Die Ausgangssignale der Bandpass-Filter The outputs of the bandpass filter 5 5 , . 7 7 werden jeweils einem einstellbaren Verstärker are each an adjustable amplifier 8 8th , . 9 9 zugeführt, von denen Sie verstärkt und jeweils einem Sample-und-Hold-Glied supplied from which you amplified and each one sample-and-hold circuit 10 10 , . 11 11 zugeführt werden. are supplied. Der Ausgang der Sample-und-Hold-Glieder The output of the sample-and-hold elements 10 10 , . 11 11 ist mit einem Mikrocontroller is provided with a microcontroller 12 12 verbunden. connected. In den Mikrocontroller In the microcontroller 12 12 sind A/D-Wandler integriert. are integrated A / D converter. Ferner gibt der Mikrocontroller Furthermore, the microcontroller is 12 12 jeweils ein Rückkopp lungssignal in each case a return signal lung Kopp 13 13 , . 14 14 an die einstellbaren Verstärker to the adjustable amplifier 8 8th , . 9 9 ab. from. Der Mikrocontroller the microcontroller 12 12 is ferner zu den Sample-und-Holder-Gliedern is further to the sample-and-holder members 10 10 , . 11 11 rückgekoppelt. fed back.
  • Zur Bestimmung der Parameter des Modells der Batterieimpedanz werden die Meßgrößen Batteriestrom und Batteriespannung gemessen. To determine the parameters of the model of the battery impedance, the measured variables battery current and battery voltage are measured. Für die Impedanzbestimmung wird nur der Wechselanteil diese Größen in unterschiedlichen Frequenzbereichen ausgewertet. For the impedance determination only the alternating component is evaluated these variables in different frequency ranges. Um eine gute Auflösung zu erzielen, werden Batteriestrom und Batteriespannung jeweils in Gleichanteil und Wechselanteil getrennt. In order to achieve a good resolution, battery current and battery voltage are each separated into DC component and AC components. Dies geschieht durch je einen Hochpass. This is done by a respective high-pass. Um eine Unterabtastung zu vermeiden, wird das Eingangssignal zudem durch je einen Anti-Aliasing-Filter mit einer Grenzfrequenz von 2 kHz begrenzt. In order to avoid a sub-sampling the input signal is also limited by a respective anti-aliasing filter with a cutoff frequency of 2 kHz. Da die Signalamplitude über einen weiten Bereich variieren kann, werden die Signale zudem durch je zwei einstellbare Verstärkerstufen (PGA, Programmable Gain Amplifier) verstärkt. Since the signal amplitude may vary over a wide range, the signals also by two adjustable amplifier stages (PGA Programmable Gain Amplifier) ​​are amplified. Die Verstärkung wird von dem Mikrocontroller The gain is from the microcontroller 12 12 so eingestellt, daß die Signale den Eingangsspannungsbereich der Analog-Digital-Wandler, in denen die Signale für die weitere Verwertung in dem Mikrocontroller gewandelt werden, optimal ausnutzen. adjusted so that the signals optimally exploit the input voltage range of the analog-to-digital converter in which the signals for the further utilization in the microcontroller are converted. Da die Stromwerte und Spannungswerte nach Möglichkeit zeitgleich erfaßt werden sollen, sind zum einen die Signalpfade vom Batteriespannungs- und Batteriestrom identisch aufgebaut, damit sich Phasenverschiebungen und Signallaufzeiten gegenseitig kompensieren, zum anderen werden beide Signale zeitgleich in jeweils einem Halteglied Since the current and voltage values ​​are to be detected at the same time as far as possible, the signal paths from the battery voltage and battery current are firstly identically constructed, so that phase shifts and signal delays compensate each other, on the other hand, both signals are at the same time in each case a holding member 10 10 , . 11 11 gespeichert. saved. Diese werden von dem Mikrocontroller These are used by the microcontroller 12 12 gesteuert, der die Werte dann sequentiell aus den Haltegliedern controlled, the values ​​then sequentially from the holding members 10 10 , . 11 11 liest und in die ebenfalls in dem Controller befindlichen Analog-Digital-Wandler einliest. reads and reads in the likewise located in the controller analog to digital converter. Weitere Signalpfade zur Aufbereitung der Gleichanteile von Spannung und Strom stellen diese Werte ebenfalls dem Mikrocontroller zur weiteren Auswertung zur Verfügung. More signal paths for processing the DC components of voltage and current is also set these values ​​to the microcontroller for further evaluation. Darüber hinaus wird über einen weiteren Sensor die Batterietemperatur bestimmt und an den Mikrocontroller übermittelt. In addition, the battery temperature is determined by another sensor and transmitted to the microcontroller.
  • In dem Mikrocontroller werden aus den Meßwerten bzw. Meßdaten die Parameter des Modells der Batterieimpedanz (Impedanzparameter) berechnet. In the microcontroller, the parameters of the model of the battery impedance (impedance parameters) are calculated from the measured values ​​and measured data. Aus diesen werden die Parameter des Modells des Energiespeichers bestimmt. From these, the parameters of the model of the energy store can be determined. Mit Hilfe des Modells bzw. der Parameter des Modells wird ein Wert für die Startfähigkeit bzw. With the aid of the model or the parameters of the model, a value for the starting capability or
  • Hochstrombelastbarkeit der Batterie ermittelt bzw. bestimmt. High current capacity of the battery detected or determined. Durch Auswertung weiterer Größen, insbesondere der Gleichanteile von Batteriespannung und Batteriestrom sowie der Batterietemperatur, können zusätzliche Zustandsgrößen wie insbesondere der Ladezustand der Batterie bestimmt werden. By evaluating other variables, in particular the direct components of battery voltage and battery current and the battery temperature, additional state variables such as in particular the state of charge of the battery can be determined. Die Zustandsgrößen, direkten Messgrößen sowie die bei den Berechnungen ermittelten Hilfsgrößen können an externe oder im Fahrzeug integrierte Auswerte- und/oder Anzeigegeräte übermittelt werden, insbesondere über eine serielle Schnittstelle und über ein CAN-Bus-Modul. The state variables direct measurement variables and the auxiliary variables determined in the calculations may be transmitted to external or integrated in the vehicle evaluation and / or display devices, in particular via a serial interface and via a CAN-bus module.
  • Durch die Erfindung wird es ermöglicht, das Klemmenverhalten eines elektrochemischen Energiespeichers während einer Entladung mit hohem Strom vorherzusagen. By the invention it is possible to predict the behavior of a clamping electrochemical energy storage device during a discharge with high current. Hierzu wird ein Modell des Energiespeichers, das vorzugsweise konzentrierte Elemente umfasst, durch Bestimmung von impedanzbasierten Parametern parametriert. For this purpose, a model of the energy storage device, preferably comprising lumped elements, parameterized by determination of impedance-based parameters.
  • Das Modell des Energiespeichers kann als elektrisches Ersatzschaltbild (ESB; siehe beispielsweise The model of the energy storage can be used as electrical equivalent circuit diagram (ESB, see for example 1 1 ) dargestellt werden. ) being represented. Die einzelnen Elemente des elektrischen Ersatzschaltbildes stellen einen eindeutigen Zusammenhang zwischen dem durch das Element fließenden Strom und der über dem Elemente anliegenden Spannung dar. Die Elemente werden durch einen oder mehrerer Parameter charakterisiert. The individual elements of the electrical equivalent circuit diagram represent a clear relationship between the current flowing through the element and the adjacent elements to the voltage. The elements are characterized by one or more parameters. Das Modell ist derart gestaltet, daß mit möglichst wenig Parametern das Klemmenverhalten des Energiespeichers für den jeweiligen Anwendungsfall ausreichend genau vorhergesagt werden kann. The model is designed such that with the least possible parameters, the terminal behavior of the energy store can be predicted for the respective application sufficiently accurate.
  • Die Parameter des Modells werden während des Betriebs bestimmt, so daß das Modell den aktuellen Zustand des Energiespeichers beschreibt und eine Vorhersage des Klemmenverhaltens bei diesem Zustand erlaubt. The parameters of the model are determined during operation, so that the model describes the current state of the energy store and a prediction of the terminal behavior in this state allows. Um Vorhersagen für einen anderen als den momentanen Betriebszustand zu ermöglichen, werden Zuordnungen der Parameter zu anderen Zustandsgrößen wie Temperatur oder Ladezustand verwendet. In order to enable predictions for other than the current operating state assignments of the parameters to other state variables such as temperature and state of charge are used. Diese Zuordnungen können in Form von Tabellen, von mathematischen Funktionen oder von Kombinationen unterschiedlicher Verfahren dargestellt sein (Alternativen: Expertensysteme, Regelwerke, Kombination mit Fuzzy-Logik, neuro nale Netzwerke und Ähnliches). These mappings may be in the form of tables, be represented by mathematical functions or combinations of different techniques (alternatives: expert systems, rules, combined with fuzzy logic, neuro-dimensional networks, and the like). Die Zuordnungen können einer Größe direkt einen andere Größe gegenüberstellen oder differentiell arbeiten, dh der Veränderung einer Größe die Veränderung einer anderen Größe gegenüberstellen. The assignments can directly face a different size or a size operate differentially, that is facing the change in size, the change of a different size.
  • Zusätzlich zu den im Betrieb bestimmten Parametern können vor Inbetriebnahme Vorgabewerte für die Parameter bestimmt und in Tabellen abgelegt werden oder Parameter in Betriebspausen bestimmt werden. In addition to the specific operating parameters or parameter during stoppages can be determined before commissioning default values ​​for the parameters determined and stored in tables.
  • Die Parameter des Ersatzschaltbildes leiten sich aus Impedanzwerten ab, die, basierend auf Leistungsbetrachtungen, bestimmt werden und die Größen, Spannung und Strom auswerten. The parameters of the equivalent circuit derived from impedance values ​​that are performance considerations determined based and evaluate the sizes, voltage and current. Eine Bestimmung des ohmschen Innenwiderstands nach diesem Prinzip ist in der prioritätsälteren, nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 102 05 120.8-34, auf die hiermit Bezug genommen wird, beschrieben. A determination of the ohmic internal resistance according to this principle is described in the priority older, non-prepublished German patent application 102 05 120.8-34, to which reference is hereby made. Durch Erweiterung des Verfahrens lassen sich die Realteile der komplexen Impedanz des Energiespeichers bei unterschiedlichen Frequenzen oder in unterschiedlichen Frequenzintervallen bestimmen. By extension of the method, the real parts of the complex impedance of the energy storage can be determined at different frequencies or in different frequency intervals. Hierzu muß das Signalspektrum eingegrenzt werden. To this end, the signal spectrum must be narrowed. Dies kann durch analoge oder digitale Filter oder eine geeignete Kombination von beiden geschehen. This can be done by analog or digital filters or a suitable combination of both. Aus den so bestimmten Impedanzwerten ergeben sich die Parameter des Modells durch mathematische Zuordnungen oder Tabellen mit einem oder mehreren Impedanzwerten sowie konstanten oder veränderlichen Hilfsgrößen. the parameters of the model resulting from the thus determined impedance values ​​by mathematical mappings or tables with one or several impedance values ​​and constant or variable auxiliary variables.
  • Durch die Erfindung wird es ermöglicht, ein Verfahren zur Vorhersage der Hochstrombelastbarkeit von Batterien, insbesondere von Blei-Säure-Batterien, auf der Basis eines Modells der Batterieimpedanz durchzuführen. By the invention it is possible to provide a method for predicting the high-current load capacity of batteries, particularly of lead-acid batteries to perform on the basis of a model of the battery impedance. Es ist möglich, das Modell der Batterieimpedanz durch Impedanzmessungen unter Verwendung eines über die Wirkwiderstandsermittlung arbeitenden, integrierenden Auswerteverfahrens zu parametrieren. It is possible to parameterize the model of the battery impedance by impedance measurements using a determination on the effective resistance working, integrating evaluation method. Dabei ist es möglich, Meßgrößen bzw. Signale verschiedener Frequenzbereiche auszuwerten. It is possible to evaluate variables or signals of different frequency ranges. Es ist ferner möglich, daß die funktionalen Zusammenhänge zwischen Impedanzwerten und Modellparametern oder die Kenngrößen dieser Zusammenhänge durch das Auswerten der Spannungs- und Stromverläufe während eines Startvorgangs adaptiert werden. It is also possible that the functional relationships between impedance values ​​and model parameters or the characteristics of these relationships will be adapted by the evaluation of the voltage and current curves during a starting operation. Bei dem Verfahren kann eine automatische Verstärkungswahl vor den Meßeingängen durchgeführt werden, um eine optimale Anpassung des Signal-Rausch-Abstandes zu erreichen. In the process, an automatic gain selection may be performed before the measuring inputs in order to achieve an optimum adaptation of the signal-to-noise ratio. Die Meßwerterfassung kann mit einer hohen Meßrate geschehen, insbesondere derart, daß der zeitliche Abstand zweier Messungen mindestens um den Faktor 2 kleiner ist als die kleinste Zeitkonstante des zugrundeliegenden Modells des Energiespeichers. The data acquisition can be done at a high sample rate, in particular such that the time interval between two measurements at least by a factor of 2 is smaller than the smallest time constant of the underlying model of the energy store. Die Meßrate kann 10 kHz betragen. The sample rate can be 10 kHz. Die Verarbeitung der Meßdaten geschieht vorzugsweise in einem Mikrorechner. The processing of the measurement data is preferably done in a microcomputer. Die Meßwerte oder vorverarbeiteten Zwischenwerte können in einem flüchtigen oder nicht flüchtigen Speicher vor der Weiterverarbeitung abgelegt werden. The measured values ​​or pre-processed intermediate values ​​can be stored in a volatile or non-volatile memory prior to further processing. Die Zustandsvariablen des zu parametrierenden Modells können in einem nicht flüchtigen Speicher abgelegt werden. The state variables to be parameterized model may be stored in a nonvolatile memory.
  • Es ist möglich, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Leistungsbetrachtung durchzuführen, die integrierend und damit stabiler als differenzierende Verfahren ist. It is possible to carry out a performance consideration in the present process which is inclusive and therefore more stable than differentiating process. Das Modell kann eine komplexere Impedanz und damit den zeitlichen Verlauf des Startvorgangs berücksichtigen. The model can take into account a complex impedance and thus the timing of the startup process. Das Verfahren kann in der Weise durchgeführt werden, daß eine Minimalspannung aufgrund der Impedanz und eines prognostizierten Stromprofils vorhergesagt werden kann. The process may be carried out in the manner that a minimum voltage can be predicted due to the impedance and a predicted current profile. Die Parameter des Modells können aus beliebigen Lade- oder Entladevorgängen ermittelt werden. The parameters of the model can be determined from any charging or discharging processes.

Claims (19)

  1. Verfahren zur Bestimmung und/oder Vorhersage der Hochstrombelastbarkeit einer Batterie, dadurch gekennzeichnet , dass die Parameter eines Modells der Batterieimpedanz bestimmt werden und dass daraus die Hochstrombelastbarkeit der Batterie bestimmt wird. A method for the determination and / or prediction of the high current carrying capacity of a battery, characterized in that the parameters of a model of the battery impedance are determined, and that from this the high current capacity of the battery is determined.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter des Modells der Batterieimpedanz aus den gleichzeitigen Messungen der beiden Meßgrößen Batteriespannung (u(t)) und Batteriestrom (i(t)) bestimmt werden. A method according to claim 1, characterized in that the parameters of the model of the battery impedance from the simultaneous measurements of the two measurement variables battery voltage (u (t)) and battery current (i (t)) are determined.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen in einem begrenzten Frequenzband durchgeführt und/oder ausgewertet werden. A method according to claim 2, characterized in that the measurements are carried out in a limited frequency band and / or evaluated.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter des Modells der Batterieimpedanz durch ein Auswerteverfahren bestimmt werden. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the parameters of the model of the battery impedance are determined by an evaluation method.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswerteverfahren ein integrierendes Auswerteverfahren ist. A method according to claim 4, characterized in that the evaluation is an integrating evaluation method.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Parameter des Modells der Batterieimpedanz durch die Auswertung der Wechselanteile der Meßgrößen durchgeführt wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the determination of the parameters of the model of the battery impedance by evaluating the AC components of the measured variables is performed.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Realteil der Batterieimpedanz (Re(Z(f m ))) aus den mittelwertfreien Wechselanteilen des Batteriestroms (i(t)) und der Batteriespannung (u(t)) in einem Frequenzintervall um eine mittlere Frequenz (f m ) nach der Formel Method according to one of the preceding claims, characterized in that the real part of the battery impedance ((Re Z (f m))) from the mean value-free AC components of the battery current (i (t)) and battery voltage (u (t)) in a frequency interval around an average frequency (f m) according to the formula
    Figure 00120001
    bestimmt wird, wobei i k und u k die zeitdiskret abgetasteten Werte des Batteriestroms (i(t)) und der Batteriespannung (u(t)) bezeichnen, die über ein Intervall einer Anzahl (N) von Zeitschritten summiert werden. is determined, where i k and u k denote the time-discrete sampled values of the battery current (i (t)) and battery voltage (u (t)), (N) are summed by time steps over an interval of a number.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter des Modells der Batterieimpedanz aus einem funktionellen Zusammenhang von Meßgrößen bestimmt werden, die bei einer oder mehreren Frequenzen bestimmt werden. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the parameters of the model of the battery impedance are determined from a functional relationship of measurement variables, which are determined at one or more frequencies.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Messgrößen an einem Betriebspunkt gemessen werden und dass die Bestimmung und/oder Vorhersage der Hochstrombelastbarkeit für einen anderen Betriebspunkt erfolgt. Method according to one of the preceding claims, characterized in that one or more measured values ​​are measured at an operating point, and that the determination and / or prediction of the high current carrying capacity for a different operating point is carried out.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter des Modells der Batterieimpedanz kontinuierlich bestimmt werden. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the parameters of the model of the battery impedance are determined continuously.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell der Batterieimpedanz ein modular aufgebautes Ersatzschaltbild mit vorzugsweise konzentrierten Elementen ist. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the model of the battery impedance is a modular equivalent circuit having preferably lumped elements.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell der Batterieimpedanz Bestandteil eines vorzugsweise adaptiven Vorhersagealgorithmus ist. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the model of the battery impedance is part of a preferably adaptive prediction algorithm.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Meßgrößen im Bordnetz vorhandene Signale verwendet werden. Method according to one of the preceding claims, characterized in that are used as measured variables in the electrical system existing signals.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Meßgrößen durch Aufprägen von Signalen, vorzugsweise Stromsignalen und/oder Spannungssignalen, erzeugt werden. Method according to one of the preceding claims, characterized in that measured quantities by impressing signals, preferably current signals and / or voltage signals, are generated.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Meßgrößen durch das Schalten von Lasten erzeugt werden. Method according to one of the preceding claims, characterized in that measured values ​​are created by the switching of loads.
  16. Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Vorhersage der Hochstrombelastbarkeit einer Batterie, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch, einen Controller zum Bestimmen der Parameter eines Modells der Batterieimpedanz und zum Bestimmen der Hochstrombelastbarkeit der Batterie. Device for determining and / or prediction of the high current capacity of a battery, in particular for implementing the method according to one or more of claims 1 to 15, characterized by, a controller for determining the parameters of a model of the battery impedance and for determining the high current capacity of the battery.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch einen Bandpassfilter für die Wechselanteile der Batteriespannung. Device according to claim 16, characterized by a bandpass filter for the ac components of the battery voltage.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, gekennzeichnet durch einen Bandpassfilter für die Wechselanteile des Batteriestroms oder für eine die Wechselanteile des Batteriestroms repräsentierende Spannung. Device according to claim 16 or 17, characterized by a bandpass filter for the ac components of the battery current or for the AC components of the battery current representing voltage.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller der bereits im Fahrzeug vorhandene Controller ist. Device according to one of claims 16 to 18, characterized in that the controller of the already existing in the vehicle controller.
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