EP1570281A1 - Verfahren zur vorhersage einer spannung einer batterie - Google Patents

Verfahren zur vorhersage einer spannung einer batterie

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EP1570281A1
EP1570281A1 EP03757996A EP03757996A EP1570281A1 EP 1570281 A1 EP1570281 A1 EP 1570281A1 EP 03757996 A EP03757996 A EP 03757996A EP 03757996 A EP03757996 A EP 03757996A EP 1570281 A1 EP1570281 A1 EP 1570281A1
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EP
European Patent Office
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voltage
filt
battery
pol
filtered
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03757996A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Richard Bopp
Armin KLÖPFER
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG filed Critical DaimlerChrysler AG
Publication of EP1570281A1 publication Critical patent/EP1570281A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01R31/3644—Constructional arrangements
    • G01R31/3648—Constructional arrangements comprising digital calculation means, e.g. for performing an algorithm
    • G—PHYSICS
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    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G01R31/3842—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC combining voltage and current measurements
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    • G01R31/389—Measuring internal impedance, internal conductance or related variables

Definitions

  • the invention relates to a method for predicting a voltage of a battery, in particular a vehicle battery.
  • this object is achieved by a method for predicting a voltage of a battery with the features according to claim 1. Further advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.
  • the method according to the invention for predicting a voltage of a battery now enables timely detection of critical battery states, in particular critical on-board electrical system states in the vehicle, and initiation of countermeasures, such as a consumer shutdown or an increase in the engine speed.
  • Fig. 1 is a flowchart of a method according to the invention for predicting a voltage of a battery U j pred
  • FIG. 2 shows a flowchart of a subroutine "calculation of the polarization voltage U_pol" from FIG. 1,
  • Fig. 3 is a flowchart of a subroutine "filtering the polarization voltage U_pol" from Fig. 1 and
  • a first step S1 current battery data, such as, for example, the battery voltage U_batt, the battery current I_batt, the battery temperature T_batt and the dynamic internal resistance Rdi of the battery are recorded or queried by external detection and calculation devices.
  • the battery voltage U_batt, the battery current I_batt and the battery temperature T_batt are detected by sensors and transmitted to a control device or queried by the control device which carries out the method according to the invention for predicting the voltage of a battery.
  • the dynamic internal resistance Rdi is calculated by a known routine and the calculation result is likewise transmitted to the control device or queried by the control device.
  • Such a method for calculating the dynamic internal resistance Rdi is known, for example, from DE 102 08 020 AI, in which the value obtained for the dynamic internal resistance is already filtered.
  • the values for the battery voltage U_batt, the battery current I_batt, the battery temperature T_batt and the dynamic internal resistance Rdi are transmitted to the control device at predetermined intervals t, for example every 50 ms, or are queried by the control device. With the recorded values of the battery current I_batt, negative values mean a discharge and positive values mean a charge of the battery.
  • step S2 It is then checked in a step S2 whether this functional sequence is a first sequence. For this purpose, the status of a bit is checked, which at a the first functional sequence is set and is reset with each restart. If the bit is set, that is to say a functional sequence (steps S1 to S12) has already taken place, the sequence proceeds to step S3. Otherwise, the process proceeds directly to step S5, so that a quick prediction of the voltage of the battery is possible immediately after the restart.
  • step S3 it is determined whether a time Tx, here 500 ms, has already expired, i.e. after 500 ms, the process proceeds to step S4, otherwise the process returns to step S1.
  • the battery voltage U_batt and the battery current I_batt are filtered in a step S4 by means of a low-pass filter.
  • the filtering determines a filtered battery voltage value U_filt and filtered battery current value I_filt from the battery voltage U_batt and the battery current I_batt, from which the ripple is filtered out.
  • the filtered battery voltage value U_filt and the filtered battery current value I_filt after the low-pass filtering result from the following equations:
  • U_filt (t n ) (U_batt - U_filt (tn-i)) * (1 - exp (-t / T)) + + U_filt (t n- ⁇ )
  • I_filt (t n ) (I_batt - I_filt (t n - ⁇ )) * (1 - exp (-t / T)) + + I_filt (t n-1 )
  • T is a filter constant that is selected, for example, as 500 ms, while t is an interval in which a set of values is read out in each case and that is, for example, 50 ms.
  • the input variables are read into the low-pass filter as quickly as possible, provided the values are valid, i.e. the hardware for recording the battery voltage U_batt and the battery current I_batt must supply valid values.
  • the function for predicting a voltage of a battery is called for the first time, for example after a period Tx, i.e. in the example 500 ms a quick prediction is carried out.
  • the filtering by the low pass is not included, i.e. steps S3 and S4 are skipped in the first function call. In the first 5 seconds after this function call, for example, all time constants are set to 1 second, since this enables the method to settle quickly.
  • the calculation of the predicted battery voltage U_pred i.e. the functional sequence takes place after a period T, i.e. in the example after 500 ms.
  • the prediction of the predicted battery voltage U_pred is only carried out if the battery current I_batt is greater than the predetermined load current I_pred to which the prediction is based.
  • a predetermined tolerance Toi for example of 5A, is permitted.
  • a calculation for a battery current I_batt less than I_pred is not necessary since the current voltage drop would then be greater than a voltage drop to be predicted. Therefore, the flow then returns to step S1.
  • step S5 It is thus checked in step S5 whether the following conditions required for performing the calculation of the predicted battery voltage U_pred are met: I_filt> (I_pred - Toi) and
  • the second-mentioned condition is also queried here, since larger currents are reached during a starting process, but a calculation would otherwise be permitted due to the filter. However, such errors should be excluded.
  • step S5 If it is recognized in step S5 that the conditions listed above are not met, the prediction of the predicted battery voltage Ujpred is not carried out and the process returns to step S1.
  • step S6 an ohmic voltage drop across the dynamic internal resistance Rdi is then calculated in step S6.
  • the voltage drop U_ri resulting from the predetermined load current I_pred at the dynamic internal resistance Rdi is calculated from the filtered battery current and internal resistance values (I_filt and Rdi) in accordance with the following formula:
  • the predetermined load current I_pred is always a discharge current, it must also be used negatively.
  • the range of values for the predetermined load current I_pred is, for example, between -80A and -150A.
  • a polarization voltage U_pol is then calculated in a step S7.
  • the subroutine for calculating the polarization voltage in step S7 is shown in more detail in FIG. 2.
  • the polarization voltage U_pol has several chemical causes, ie it consists of several partial voltages. These partial voltages include a breakdown voltage or activation voltage, a crystallization on voltage and a diffusion voltage.
  • the breakdown voltage arises from the fact that the local distribution of the ions first has to build up when the current changes, but this does not happen as quickly as the current sets in, and the distribution of the charged particles on the surface is comparable to a capacitor.
  • the crystallization voltage is the voltage required to detach molecules on the surface of the electrode from their assembly and make them accessible for a reaction.
  • the diffusion voltage is the voltage required to remove the reaction products from the electrode surface.
  • the polarization voltage U_pol as a whole can be described precisely enough by two simple reciprocal functions.
  • the polarization voltage U_pol can be determined as follows, distinguishing in each case whether the battery is being charged, i.e. I_filt> 0, or the battery is discharged, i.e. I_filt ⁇ 0.
  • step S7-1 it is therefore first decided in a step S7-1 whether the filtered battery current I_filt is greater than zero.
  • step S7-2a or S7-2b the polarization voltage U_pol is calculated according to the following formula:
  • U_pol (U_pol_0 + (ki_lad * I_filt / (ik_lad + l_filt))) * K.
  • Kx in the above equations is a correction factor that is 1 when the predetermined load current I_pred is -100A while it is for a predetermined load current I_pred in the range between -80A to -150A results from (1- (I_pred + 100) / 100 * 0, 2). It is obvious to the person skilled in the art that if a load current range deviating from this load current range is desired, a corresponding, adjusted correction value can be determined.
  • U_pol_0, ki_lad, ik_lad, ki_ela and ik_ela are predetermined parameters.
  • U__pol__0 can be 0.7V at 0 ° C.
  • the temperature dependency is - 9mV / ° C. This results in:
  • ik_lad and ik_ela are empirical parameters that describe the curvature of the curve of the polarization voltage U_pol as a function of the filtered battery current I_filt. 4 shows such a curve profile for different battery temperatures T_batt.
  • the value for ik_lad can be 80A and the value for ik_ela can be 20A.
  • a correction factor K 2 must be taken into account when loading, since very large overvoltages can occur during loading, which would be too large for a calculation. Through this correction or Compensation factor K 2 , these voltages can also be calculated.
  • the polarization voltage U_pol is filtered, this filtering preferably being carried out by two low-pass filters, one for a rapidly settling part U_pol_fast_roh of U_pol and one for a slowly settling part U_pol_slow_roh share of U_pol.
  • step S8-1 the polarization voltage U_pol is divided into the still unfiltered raw values of the polarization voltage U_pol_fast_roh and U_pol_slow_roh. Then, in step S8-2, these two polarization voltage components U_pol_fast_roh and U_pol_slow_roh are filtered by means of two low-pass filters.
  • U_pol_fast_filt (t n ) (U_pol_fast_roh - Upol_fast_filt (t n - ⁇ ) *
  • U_pol_slow_filt (t n ) (U_pol_slow_roh - Upol_slow_filt (t n _ ⁇ ) *
  • step S8-3 the filtered values of the two polarization voltage components U_pol_fast_filt and U_pol_slow_filt are then added in order to obtain a filtered polarization voltage U_pol_filt.
  • the predicted battery voltage U_pred is then calculated from the voltage values for the filtered battery voltage U_filt, the ohmic voltage drop U_ri and the filtered polarization voltage U_pol_filt determined in steps S4, S6 and S7 and S8:
  • the predicted battery voltage U_pred determined in this way in step S9 is still limited upwards and downwards in step S10, for example by specifying the maximum value U_pred_max 12.5V and the minimum value U_pred_min 10V.
  • An upper limit is not absolutely necessary, since there the battery charge is sufficient in any case; the- in the preferred exemplary embodiment, the maximum value U_pred_max is also set to a value close to a normal value of a full battery in the idle state.
  • the downward limitation by a minimum value U_pred_min is necessary in any case, since the battery has aged, discharged from this voltage value in such a way that it is no longer possible to reliably predict the battery voltage from this threshold value due to an exponentially falling voltage.
  • step S11 the predicted battery voltage is then filtered in a further step S11, the time constant T of this filter being 3 minutes for both negative and positive current values.
  • This further filtering in step S11 filters out jumps that occur as a result of a switch from loading to unloading.
  • U_pred_filt (t n ) (U_pred_roh - U_pred_filt (t n- ⁇ )) * T +
  • T is selected as 3 minutes, for example.
  • step S12 a check is carried out in step S12 as to whether the bit that indicates whether a first function call has already been set is set. If it is not set, this bit is set and then the process returns to step S1. Otherwise, the process returns directly to step S1.
  • the present invention discloses a method for predicting a voltage of a battery, in particular a vehicle battery.
  • the method according to the invention makes it possible to predict a voltage drop before it actually occurs due to a load.
  • a filtered battery voltage and a filtered battery current are first determined from battery data, such as battery voltage, battery current, battery temperature and dynamic internal resistance.
  • An ohmic voltage drop over the dynamic internal resistance is determined from a differential current between the filtered battery current and a predetermined load current.
  • a polarization voltage is calculated as a function of the filtered battery current, which is then filtered.
  • a predicted battery voltage is calculated from the filtered battery voltage minus the ohmic voltage drop and the filtered polarization voltage. Based on this predicted battery voltage, further measures can be decided.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zur Vorhersage einer Spannung einer Batterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie. Durch das erfindungsgemässe Verfahren wird es möglich einen Spannungseinbruch vorherzusagen, bevor er tatsächlich aufgrund einer Belastung eintritt. Dazu wird aus Batteriedaten, wie beispielsweise Batteriespannung, Batteriestrom, Batterietemperatur und dynamischem Innenwiderstand zunächst eine gefilterte Batteriespannung und ein gefilterter Batteriestrom ermittelt. Aus einem Differenzstrom zwischen dem gefilterten Batteriestrom und eine vorgegebenen Laststrom ein ohmscher Spannungsabfall über den dynamischen Innenwiderstand ermittelt. Ausserdem wird eine Polarisationsspannung als Funktion des gefilterten Batteriestroms berechnet, die anschliessend gefiltert wird. Aus der gefilterten Batteriespannung, abzüglich des ohmschen Spannungsabfalls und der gefilterten Polarisationsspannung wird eine vorhergesagte Batteriespannung berechnet. Anhand dieser vorhergesagten Batteriespannung kann über weitere Massnahmen entschieden werden.

Description

Verfahren zur Vorhersage einer Spannung einer Batterie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorhersage einer Spannung einer Batterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie.
Herkömmlich besteht das Problem, dass beispielsweise in einem Kfz-Bordnetz die Spannung bei schlechter oder entladener Batterie bei bestimmten Belastungen soweit einbricht, dass wichtige Systeme, wie beispielsweise das Bremssystem nicht mehr den vollen Funktionsumfang haben und der Fahrer unter Umständen das Fahrzeug nur noch mit großen Einschränkungen betreiben kann .
Aus der DE 39 36 638 Cl ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Verbraucher in einem Fahrzeugbordnetz bei Unterschreitung eines bestimmten Ladezustands der Batterie des Fahrzeugs abgeschaltet oder zurückgeschaltet werden, um eine zu starke Entladung der Batterie zu verhindern. Welche oder welcher Verbraucher abgeschaltet werden oder wird, hängt davon ab, zu welcher Gruppe von Verbrauchern dieser gehört . Eine solche Gruppe setzt sich beispielsweise aus "Bedingt-Schaltbaren- Verbrauchern" (BSV) und/oder "Schaltbaren-Verbrauchern" (SV) zusammen. Die Gruppe wird dabei immer komplett abgeschaltet oder im Verbrauch reduziert. Jede Gruppe besitzt eine die Fahrzeugsicherzeit bzw. ihre Wichtigkeit betreffende Priorität. Die Abschaltung oder Rückschaltung der einzelnen Gruppen beginnt bei der Gruppe mit der geringsten Priorität. Führt dies nicht zu einer Verbesserung des Ladezustands der Batterie werden nachfolgend weitere Gruppen abgeschaltet oder zu- rückgeschaltet, bis der Ladezustand der Batterie ein bestimmtes Niveau erreicht.
Weiterhin ist aus der DE 199 60 079 AI ein Verfahren zur Einbzw. Abschaltung von verschiedenen Klassen von Verbrauchern mittels Schaltelementen im Rahmen eines von einem Steuergerät durchgeführten Energiemanagements bekannt . Die Ansteuerung der Schaltelemente erfolgt dabei so, dass die gewählten Prioritäten für die Ansteuerung der Schaltelemente während des Betriebs dynamisch verändert werden können. Damit ist eine betriebszustandsabhängige Anpassung der Schaltprioritäten während des laufenden Betriebs möglich. Die Abschaltung von Verbrauchern erfolgt mittels Veränderung der Schaltpriorität so, dass die Wahrnehmbarkeit der Betriebszustände möglichst unterdrückt wird.
Eine Abschaltung bzw. Rückschaltung eines Verbrauchers oder einer Gruppe von Verbrauchern erfolgt bei diesen herkömmlichen Verfahren immer erst, wenn ein schlechter Ladezustand bereits erkannt wurde. Um zu verhindern, dass ein sicherheitsrelevantes System, wie beispielsweise das Bremssystem aufgrund einer Rückschaltung nicht mehr im vollen Funktionsumfang zur Verfügung steht, wird dabei derzeit ein berechnungsintensives Verfahren zur Berechnung des Ladezustands der Batterie verwendet, das die Kosten des zugehörigen Steuergeräts deutlich erhöht.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Vorhersage einer Spannung einer Batterie zur Verfügung zu stellen, mit dem ein Zustand schlechter oder entladener Batterie, bei dem es unter bestimmten Belastungen zu einem Spannungseinbruch kommen kann, vorhersagbar ist und das ermöglicht, vor dem Eintreten dieses Zustands entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten, damit bestimmte sicherheitsrelevante Verbraucher voll funktionsfähig bleiben. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Vorhersage einer Spannung einer Batterie mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst . In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Vorhersage einer Spannung einer Batterie wird nun ein rechtzeitiges Erkennen von kritischen Batteriezuständen, insbesondere von kritischen Bordnetzzuständen im Fahrzeug und Einleiten von Gegenmaßnahmen, wie beispielsweise eine Verbraucherabschaltung oder eine Erhöhung der Motordrehzahl ermöglicht.
Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung offensichtlich.
Dabei zeigt:
Fig. 1 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vorhersage einer Spannung einer Batterie Ujpred
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm einer Unterroutine "Berechnung der Polarisationsspannung U_pol" aus Fig. 1,
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm einer Unterroutine "Filterung der Polarisationsspannung U_pol" aus Fig. 1 und
Fig. 4 eine Darstellung beispielhafter stromabhängiger Verläufe der Polarisationsspannung.
Nachfolgend wird nun das erfindungsgemäße Verfahren zur Vorhersage einer Spannung einer Batterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie unter Bezugnahme auf die Ablaufdiagramme gemäß den Figuren 1 bis 3 genauer beschrieben.
Um zu gewährleisten, dass bestimmte, sicherheitskritische Verbraucher, wie beispielsweise die Sensotronic Brake Control bzw. SBC (Elektrohydraulische Bremse) vollfunktionsfähig bleiben, darf eine Fahrzeug-Batteriespannung eine bestimmte MindestSpannung nicht unterschreiten, da es bei Anlegen einer Last zu einem Spannungseinbruch kommt. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann nun vorhergesagt werden, welche Batteriespannung U_pred sich einstellt, wenn mit einem vorbestimmten Strom I_pred, d.h. einer definierten zu erwartenden Belastung entladen wird.
In einem ersten Schritt Sl werden aktuelle Batteriedaten, wie beispielsweise die Batteriespannung U_batt, der Batteriestrom I_batt, die Batterietemperatur T_batt und der dynamische Innenwiderstand Rdi der Batterie erfasst bzw. von externen Er- fassungs- und Berechnungseinrichtungen abgefragt. Dabei werden die Batteriespannung U_batt, der Batteriestrom I_batt und die Batterietemperatur T_batt mittels Sensoren erfasst und an eine Steuerungseinrichtung übermittelt bzw. von der Steuereinrichtung abgefragt, die das erfindungsgemäße Verfahren zur Vorhersage der Spannung einer Batterie durchführt. Der dynamische Innenwiderstand Rdi wird durch eine bekannte Routine berechnet und das Berechnungsergebnis ebenfalls an die Steuereinrichtung übermittelt bzw. von der Steuereinrichtung abgefragt. Ein derartiges Verfahren zur Berechnung des dynamischen Innenwiderstands Rdi ist beispielsweise aus der DE 102 08 020 AI bekannt, bei dem der erhaltene Wert für den dynamischen Innenwiderstand bereits gefiltert ist. Die Werte für die Batteriespannung U_batt, den Batteriestrom I_batt, die Batterietemperatur T_batt sowie den dynamischen Innenwiderstand Rdi werden in vorbestimmten Intervallen t, beispielsweise alle 50 ms, der Steuereinrichtung übermittelt bzw. von der Steuereinrichtung abgefragt. Bei den erfassten Werten des Batteriestroms I_batt bedeuten negative Werte eine Entladung und positive Werte eine Ladung der Batterie.
Anschließend wird in einem Schritt S2 überprüft, ob es sich bei diesem Funktionsablauf um einen ersten Ablauf handelt. Hierzu wird der Zustand eines Bits überprüft, das bei einem ersten Funktionsablauf gesetzt wird und bei jedem Neustart wieder zurückgesetzt wird. Wenn das Bit gesetzt ist, d.h. bereits ein Funktionsablauf (Schritt Sl bis S12) stattgefunden hat, schreitet der Ablauf zu Schritt S3 fort. Ansonsten schreitet der Ablauf direkt zu Schritt S5 fort, damit direkt nach dem Neustart eine Schnellvorhersage der Spannung der Batterie möglich wird.
In einem Schritt S3 wird ermittelt, ob bereits eine Zeit Tx, hier 500 ms abgelaufen ist, d.h. nach 500 ms schreitet der Ablauf zu Schritt S4 fort, ansonsten kehrt der Ablauf zu Schritt Sl zurück.
Wenn in Schritt S3 ermittelt wird, dass die Bedingungen erfüllt sind, wird in einem Schritt S4 die Batteriespannung U_batt und der Batteriestrom I_batt mittels eines Tiefpasses gefiltert. Durch die Filterung werden ein gefilterter Batteriespannungswert U_filt und gefilterter Batteriestromwert I_filt von der Batteriespannung U_batt und dem Batteriestrom I_batt ermittelt, aus denen jeweils die Welligkeit herausgefiltert ist . Der gefilterte Batteriespannungswert U_filt und der gefilterte Batteriestromwert I_filt nach der Tiefpassfilterung ergeben sich aus den nachfolgenden Gleichungen:
U_filt(tn) = (U_batt - U_filt (tn-i) )* (1 - exp(-t/T)) + + U_filt (tn-ι)
I_filt(tn) = (I_batt - I_filt (tn-ι) ) * (1 - exp(-t/T)) + + I_filt(tn-1)
Hierbei ist T eine Filterkonstante, die beispielsweise als 500 ms gewählt wird, während t ein Intervall ist, in dem jeweils ein Wertesatz ausgelesen wird und das beispielsweise 50 ms beträgt. tn ist der aktuelle Zeitpunkt, während tn-1 der Zeitpunkt der letzten Berechnung ist. Wenn noch keine vorherige Berechnung erfolgt ist, werden vorbestimmte Initialisierungswerte verwendet. Aufgrund von Einschwingzeiten eines verwendeten Tiefpassfil- ters werden zur Initialisierung beispielsweise Werte wie folgt festgelegt: U_filt = 11,8, I_filt = 0,0 und Rdi = 5,0.
Das Einlesen der Eingangsgrößen in das Tiefpassfilter erfolgt so rasch wie möglich, vorausgesetzt die Werte sind gültig, d.h. die Hardware zur Erfassung der Bat erieSpannung U_batt und des Batteriestroms I_batt muss gültige Werte liefern. Beim ersten Funktionsaufruf des Verfahrens zur Vorhersage einer Spannung einer Batterie, beispielsweise nach einem Zeitraum Tx, d.h. im Beispiel 500 ms wird eine Schnellvorhersage durchgeführt. Dabei wird die Filterung durch den Tiefpass nicht mit einbezogen, d.h. die Schritte S3 und S4 wird im ersten Funktionsaufruf übersprungen. In den ersten beispielsweise 5 Sekunden nach diesem Funktionsaufruf sind alle Zeitkonstanten auf 1 Sekunde gesetzt, da auf diese Weise ein schnelles Einschwingen des Verfahrens ermöglicht wird.
Die Berechnung der vorhergesagten Batteriespannung U_pred, d.h. der Funktionsablauf erfolgt nach einem Zeitraum T, d.h. im Beispiel nach 500 ms.
Die Berechnung der vorhergesagten Batteriespannung U_pred wird nur dann durchgeführt, wenn der Batteriestrom I_batt größer als der vorbestimmte Laststrom I_pred ist, auf den die Vorhersage abgestellt ist. Dabei wird eine vorbestimmte Toleranz Toi, beispielsweise von 5A zugelassen. Eine Berechnung für einen Batteriestrom I_batt kleiner als I_pred ist nicht erforderlich, da dann der derzeit vorliegende Spannungseinbruch größer als ein vorherzusagender Spannungseinbruch wäre. Daher kehrt der Ablauf dann zu Schritt Sl zurück.
Somit wird in Schritt S5 überprüft, ob die für die Durchführung der Berechnung der vorhergesagten Batteriespannung U_pred erforderlichen folgenden Bedingungen erfüllt sind: I_filt > (I_pred - Toi) und
I_batt > I_pred - Toi
Dies zweitgenannte Bedingung wird hier zusätzlich abgefragt, da bei einem Startvorgang größere Ströme erreicht werden, a- ber aufgrund des Filters eine Berechnung ansonsten zugelassen würde. Derartige Fehler sollen jedoch ausgeschlossen werden.
Wenn in Schritt S5 erkannt wird, dass die vorstehend aufgeführten Bedingungen nicht erfüllt sind, wird keine Berechnung der vorhergesagten Batteriespannung Ujpred durchgeführt und der Ablauf kehrt zu Schritt Sl zurück.
Wenn in Schritt S5 erkannt wird, dass die vorstehenden Bedingungen erfüllt sind, wird anschließend in einem Schritt S6 ein ohmscher Spannungsabfall am dynamischen Innenwiderstand Rdi berechnet. Dazu wird aus den gefilterten Batteriestrom- und Innenwiderstandswerten (I_filt und Rdi) der durch den vorbestimmten Laststrom I_pred am dynamischen Innenwiderstand Rdi entstehende Spannungsabfall U_ri entsprechend der nachfolgend aufgeführten Formel berechnet :
U_ri = (I_filt - I_pred) * Rdi
Da der vorbestimmte Laststrom I_pred immer ein Entladestrom ist, muss er auch negativ eingesetzt werden. Der Wertebereich für den vorbestimmten Laststrom I_pred beträgt beispielsweise zwischen -80A und -150A.
Anschließend wird in einem Schritt S7 eine Polarisationsspannung U_pol berechnet. Die Unterroutine zur Berechnung der Polarisationsspannung in Schritt S7 ist in Fig. 2 genauer dargestellt. Die Polarisationsspannung U_pol hat mehrere chemische Ursachen, d.h. setzt sich aus mehreren TeilSpannungen zusammen. Diese TeilSpannungen sind unter anderem eine Durchtrittspannung bzw. Aktivierungsspannung, eine Kristallisati- onsspannung und eine Diffusionsspannung. Die Durchtrittsspannung entsteht dadurch, dass sich die örtliche Verteilung der Ionen bei Stromänderung erst aufbauen muss, wobei dies jedoch nicht so schnell geschieht, wie sich der Strom einstellt, und die Verteilung der geladenen Teilchen an der Oberfläche mit einem Kondensator vergleichbar ist. Die Kristallisationsspannung ist die erforderliche Spannung, um Moleküle an der Oberfläche der Elektrode aus ihrem Verband herauszulösen und einer Reaktion zugänglich zu machen. Die Diffusionsspannung schließlich ist die Spannung, die benötigt wird, um die Reaktionsprodukte von der Elektrodenoberfläche zu entfernen. Diese TeilSpannungen weisen jeweils eine nach einer e-Funktion verlaufende Abhängigkeit vom Batteriestrom, nämlich der Stromgröße und der Stromrichtung, sowie der Temperatur auf.
Die Polarisationsspannung U_pol kann in ihrer Gesamtheit durch zwei einfache Reziprokfunktionen genau genug beschrieben werden. Die Polarisationsspannung U_pol kann wie folgt ermittelt werden, wobei jeweils zu unterscheiden ist, ob die Batterie geladen wird, d.h. I_filt > 0 ist, oder die Batterie entladen wird, d.h. I_filt < 0 ist.
Daher wird zunächst in einem Schritt S7-1 entschieden, ob der gefilterte Batteriestrom I_filt größer als Null ist. Je nach dem Entscheidungsergebnis wird in Schritt S7-2a bzw. S7-2b eine Berechnung der Polarisationsspannung U_pol gemäß den nachfolgend aufgeführten Formel ausgeführt :
Für I_filt > 0 :
U_pol = (U_pol_0 + (ki_lad*I_filt/(ik_lad + l_filt))) * K .
Für I_filt ≤ 0:
U_pol = (U_pol_0 + (ki_ela*I_filt/(ik_ela - l_filt) ) ) * Ki
Kx ist in den vorstehenden Gleichungen ein Korrekturfaktor, der 1 ist, wenn der vorbestimmte Laststrom I_pred -100A beträgt, während er sich für einen vorgegebenen Laststrom I_pred im Bereich zwischen -80A bis -150A aus (1- (I_pred+100) /100*0, 2) ergibt. Für den Fachmann ist hierbei offensichtlich, dass, wenn ein von diesem Laststrombereich abweichender Laststrombereich gewünscht wird, ein entsprechender, angepasster Korrekturwert ermittelt werden kann.
Dabei sind die Parameter U_pol_0 , ki_lad, ik_lad, ki_ela und ik_ela vorbestimmte Parameter. Beispielsweise kann U__pol__0 bei 0°C 0,7V betragen. Die Temperaturabhängigkeit beträgt - 9mV/°C. Daraus ergibt sich:
U_pol_0 = 0,7V - 0,009V/°C * T_batt [T_batt in °C]
ik_lad und ik_ela sind empirische Parameter, die die Krümmung der Kurve der Polarisationsspannung U_pol als Funktion des gefilterten Batteriestroms I_filt beschreiben. In Fig. 4 ist ein derartiger Kurvenverlauf für verschiedene Batterietemperaturen T_batt gezeigt. Beispielsweise kann der Wert für ik_lad 80A und der Wert für ik_ela 20A betragen. ki_ela ist dimensionslos und so festzulegen, dass bei I_filt = I_pred der Wert für U_pol = 0V beträgt .
Es gilt also:
ki_ela = U_pol_0 * (ik_ela - I_pred) / (-I_pred* [VA] ) bzw. ki_lad = U_pol_0 * (ik_lad - I_pred) / ( -I_pred* [VA] ) *K2.
Beim Laden muss ein Korrekturfaktor K2 berücksichtigt werden, da beim Laden sehr große Überspannungen auftreten können, die für eine Berechnung zu groß wären. Durch diesen Korrekturbzw. Kompensationsfaktor K2 werden auch diese Spannungen berechenbar.
Diese Beschreibung der Polarisationsspannung U_pol gilt, wenn die Batterie in einem quasistatischen, d.h. eingeschwungenen Zustand ist, d.h. wenn der Batteriestrom I batt konstant ist. Bedingt durch die chemischen Reaktionen, die sich hinter diesem Phänomen verbergen, verändert sich die Polarisationsspannung U_pol nur langsam. Die Veränderung folgt zwei überlagerten Zeitkonstanten. Der wie oben beschrieben ermittelte Parameter U_pol besteht also aus einem schnell und einem langsam einschwingenden Teil U_pol_fast_roh und U_pol_slow_roh:
U_pol_fast_roh = 0,6 * U_pol und U_pol_slow_roh = 0,4 * Ujool,
d.h. 60% von U_pol schwingt schnell ein und 40% schwingt langsam ein.
Daher erfolgt in einem weiteren Schritt S8, dessen genauer Ablauf in Fig. 3 genauer veranschaulicht ist, eine Filterung der Polarisationsspannung U_pol , wobei diese Filterung bevorzugt durch zwei Tiefpassfilter erfolgt, jeweils eines für einen schnell einschwingenden Anteil U_pol_fast_roh von U_pol und eines für einen langsam einschwingenden Anteil U_pol_slow_roh von U_pol .
Zunächst wird in einem Schritt S8-1 die Polaristionsspannung U_pol in die noch ungefilterten Rohwerte der Polarisationsspannung U_pol_fast_roh und U_pol_slow_roh aufgeteilt. Anschließend erfolgt in Schritt S8-2 eine Filterung dieser beiden Polarisationsspannungsanteile U_pol_fast_roh und U_pol_slow_roh mittels zweier Tiefpassfilter .
Somit ergibt sich:
U_pol_fast_filt (tn) = (U_pol_fast_roh - Upol_fast_filt (tn-ι) *
* T + U_pol_fast_filt (tn-ι)
U_pol_slow_filt (tn) = (U_pol_slow_roh - Upol_slow_filt (tn_ι) *
* T + U_pol slow filt(tn-ι) Die Zeitkonstanten der Tiefpassfilter für U_pol_fast_roh und • U_pol_slow_roh sind dabei unterschiedlich, je nachdem, ob geladen wird, d.h. I_filt > 0 ist, oder entladen wird, d.h. I_filt ≤ 0. Die Zeitkonstanten betragen beispielsweise:
Für I_filt > 0:
T für U_pol_fast_filt = 1 Sekunde
T für U_pol_slow_filt = 1 Minute
Für I_mittel ≤ 0 :
T für U_pol_fast_filt = 1 Sekunde
T für U_pol_slow_filt = 30 Sekunden
In einem weiteren Schritt S8-3 werden anschließend die gefilterten Werte der beiden Polarisationsspannungsanteile U_pol_fast_filt und U_pol_slow_filt addiert, um eine gefilterte Polarisationsspannung U_pol_filt zu erhalten.
Diese Werte für Parameter zur Ermittlung der Polarisationsspannung sind ebenfalls nur Beispiele und stellen keine Einschränkung dar.
In einem darauffolgend durchgeführten Schritt S9 wird anschließend aus den in den Schritt S4 , S6 und S7 und S8 ermittelten Spannungswerten für die gefilterte Batteriespannung U_filt, den ohmschen Spannungsabfall U_ri und die gefilterte Polarisationsspannung U_pol_filt die vorhergesagte Batterie- Spannung U_pred entsprechend der folgenden Formel berechnet:
Ujpred = U_filt - U_ri - U_pol_filt
Die so in Schritt S9 ermittelte vorhergesagte Batteriespannung U_pred wird in Schritt S10 noch nach oben und unten begrenzt, indem beispielsweise als Maximalwert U_pred_max 12,5V und als Minimalwert U_pred_min 10V festgelegt wird. Eine Begrenzung nach oben ist dabei nicht unbedingt erforderlich, da dort die Batterieladung in jedem Fall ausreichend ist; den- noch wird im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Maximalwert U_pred_max auf einen Wert nahe einem Normalwert einer vollen Batterie im Ruhezustand festgelegt. Die Begrenzung nach unten durch einen Minimalwert U_pred_min ist jedoch in jedem Fall erforderlich, da die Batterie ab diesem Spannungswert derart gealtert, entladen, o.a. ist, dass ab diesem Schwellenwert aufgrund einer exponentiell einbrechenden Spannung kein zuverlässige Vorhersage der Batteriespannung mehr möglich ist. Im Fall, dass die vorhergesagte Batteriespannung U_pred innerhalb der Grenzwerte U_pred_min und U_pred_max liegt, erfolgt dann in einem weiteren Schritt Sll eine Filterung der vorhergesagten BatterieSpannung, wobei die Zeitkonstante T dieses Filters sowohl für negative als auch für positive Stromwerte 3 Minuten betragen kann. Durch diese weitere Filterung in Schritt Sll werden Sprünge, die aufgrund einer Umschaltung von Laden auf Entladen auftreten herausgefiltert.
Dadurch ergibt sich:
U_pred_filt (tn) = (U_pred_roh - U_pred_filt (tn-ι) ) *T +
+ U_pred_filt (tn-1)
wobei T beispielsweise als 3 Minuten gewählt ist.
Abschließend erfolgt in Schritt S12 eine Überprüfung, ob das Bit, das anzeigt, ob bereits ein erster Funktionsaufruf erfolgt ist, gesetzt ist. Sollte es nicht gesetzt sein, wird dieses Bit gesetzt und dann kehrt der Ablauf zu Schritt Sl zurück. Ansonsten kehrt der Ablauf direkt zu Schritt Sl zurück.
Auf diese Weise kann zuverlässig eine Spannung einer Batterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie bei einer im voraus festgelegten Belastung mit einem Laststrom I_pred ermittelt werden. Diese Vorhersage ist für Batterien aller Art, insbesondere für Fahrzeugbatterien jeglicher Bauart Größe und Kapazität anwendbar. Zusammenfassend offenbart die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Vorhersage einer Spannung einer Batterie, insbesondere ein Fahrzeugbatterie. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es möglich einen Spannungseinbruch vorherzusagen, bevor er tatsächlich aufgrund einer Belastung eintritt. Dazu wird aus Batteriedaten, wie beispielsweise Batteriespannung, Batteriestrom, Batterietemperatur und dynamischem Innenwiderstand zunächst eine gefilterte Batteriespannung und ein gefilterter Batteriestrom ermittelt. Aus einem Differenzstrom zwischen dem gefilterten Batteriestrom und eine vorgegebenen Laststrom ein ohmscher Spannungsabfall über den dynamischen Innenwiderstand ermittelt. Außerdem wird eine Polarisationsspannung als Funktion des gefilterten Batteriestroms berechnet, die anschließend gefiltert wird. Aus der gefilterten Batteriespannung, abzüglich des ohmschen Spannungsabfalls und der gefilterten Polarisationsspannung wird eine vorhergesagte Batteriespannung berechnet. Anhand dieser vorhergesagten Batteriespannung kann über weitere Maßnahmen entschieden werden.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Vorhersage einer Spannung einer Batterie, mit den Schritten:
(51) Erfassen bzw. Abfragen von Batteriedaten, von Erfas- sungs- und Berechnungseinrichtungen, wobei die Batteriedaten eine Batteriespannung (U_batt) , einen Batteriestrom
(I_batt) , eine Batterietemperatur (T_batt) sowie einen dynamischen Innenwiderstand (Rdi) umfassen,
(52) Überprüfen, ob es sich bei dem gegenwärtigen Funktionsablauf um einen ersten Ablauf handelt,
(53) wenn das Ergebnis in Schritt S2 ist, dass bereits ein Funktionsablauf stattgefunden hat, Überprüfen, ob eine vorbestimmte Zeit (Tx) abgelaufen ist, und wenn die vorbestimmte Zeit noch nicht abgelaufen ist, Zurückkehren zu Schritt Sl,
(54) wenn die vorbestimmte Zeit (Tx) abgelaufen ist, Filtern der Batteriespannung (U_batt) und des Batteriestroms
(I_batt) mittels eines Tiefpasses und Ausgeben einer gefilterten Batteriespannung (U_filt) und eines gefilterten Batteriestroms (I_filt) ,
(55) Überprüfen, ob der gefilterte Batteriestrom (I_filt) größer als ein vorgegebener Laststrom I_pred abzüglich einer Toleranz (Toi) ist und der Batteriestrom (I_batt) größer als ein vorgegebener Laststrom (I_pred) abzüglich der Toleranz (Toi) ist, und, wenn die Bedingungen nicht erfüllt sind, Zurückkehren zu Schritt Sl,
(56) Berechnen eines ohmschen Spannungsabfalls (U_ri) am dynamischen Innenwiderstand (Rdi) , (57) Berechnen einer Polarisationsspannung (U_pol) als Funktion des gefilterten Batteriestroms (I_batt_filt) ,
(58) Filtern der Polarisationsspannung (U_pol) mittels zweier Tiefpassfilter getrennt nach einem schnell einschwingenden Anteil (U_pol_fast_roh) und einem langsam einschwingenden Anteil (U_pol_slow_roh) und Ausgeben einer gefilterten Polarisationsspannung (U_pol_filt) ,
(59) Berechnen einer vorhergesagten Batteriespannung, indem von der gefilterten Batteriespannung (U_batt_filt) der ohmsche Spannungsabfall (U_ri) und die gefilterte Polarisationsspannung (U_pol_filt) subtrahiert wird,
(510) Begrenzen der in Schritt S9 ermittelten vorhergesagten Batteriespannung (U_pred) nach oben und unten,
(511) Filtern der vorhergesagten Batteriespannung (U_pred) und
(512) Überprüfen, ob das Bit, das einen erfolgten ersten Funktionsaufruf anzeigt, gesetzt ist, und, wenn nein, Setzen des Bits und Rückkehr zu Schritt Sl, oder, wenn ja, Rückkehr zu Schritt Sl .
2. Verfahren zur Vorhersage einer Spannung einer Batterie nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der dynamische Innenwiderstand (Rdi) mittels eines Pufferalgorithmus ermittelt wird.
3. Verfahren zur Vorhersage einer Spannung einer Batterie nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die vorbestimmte Zeit (Tx) in Schritt S3 500ms beträgt.
4. Verfahren zur Vorhersage einer Spannung einer Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sich die gefilterte Batteriespannung (U_filt) und der gefilterte Batteriestrom (I_filt) aus den folgenden Gleichungen ergeben:
U_filt(tn) = (U_batt - U_filt (tn-i) )*(1 - exp(-t/T)) +
I_filt(tn) = (I_batt - l_filt (tn-ι) )*(1 - exp(-t/T)) +
wobei T eine Filterkonstante, t ein Intervall, in dem jeweils ein Wertesatz ausgelesen wird und tn ist der aktuelle Zeitpunkt, während tn-ι der Zeitpunkt der letzten Berechnung ist.
5. Verfahren zur Vorhersage einer Spannung einer Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass direkt nach einem Start die Schritte S3 und S4 in einem ersten Funktionsaufruf übersprungen werden
6. Verfahren zur Vorhersage einer Spannung einer Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Toleranz (Toi) als 5A gewählt ist.
7. Verfahren zur Vorhersage einer Spannung einer Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sich der ohmsche Spannungsabfall anhand der folgenden
Gleichung berechnet wird:
U_ri = (I_filt - I_pred) * Rdi Verfahren zur Vorhersage einer Spannung einer Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Polarisationsspannung (U_pol) unter Berücksichtigung der angegebenen Bedingungen gemäß den folgenden Gleichungen berechnet wird:
Für I_filt > 0:
U_pol = (U_pol_0 + (ki_lad*l_filt/(ik_lad + I_filt) ) ) *
* Ki.
Für I_filt ≤ 0:
U_pol = (U_pol_0 + (ki_ela*I_filt/(ik_ela - I_filt) ) ) *
wobei K ein Korrekturfaktor ist, der abhängig vom vorbestimmten Lastström (I_pred) ist und die Parameter U_pol_0, ki_lad, ik_lad, ki_ela und ik_ela vorbestimmte Parameter sind, die empirisch ermittelt wurden, und ki_ela so festzulegen ist, dass bei Gleichheit von gefiltertem Batteriestrom (I_filt) und der vorbestimmten Laststrom (I_pred) der Wert von der Polarisationsspannung (U_pol) 0V beträgt.
Verfahren zur Vorhersage einer Spannung einer Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Polarisationsspannung (Ujpol) einen schnell einschwingenden Anteil (U_pol_fast_roh) und einen langsam einschwingenden Anteil (U_pol_slow_roh) umfasst, wobei der schnell einschwingende Anteil (U_pol_fast_roh) 60% der Polarisationsspannung (U_pol) und der langsam einschwingende Anteil (U_pol_slow_roh) 40% der Polarisationsspannung (U_pol) ausmacht und jeder dieser beiden Anteile in Schritt S8 durch ein Tiefpassfilter gefiltert wird, so dass sich folgende Gleichungen ergeben:
U_pol_fast_filt (tn) = (U_pol_fast_roh -
- Upol_fast_filt (tn-ι) *
* T + U_pol_fast_filt (tn-ι)
U_pol_slow_filt (tn) = (U_pol_slow_roh -
- Upol_slow_filt (tn-1) * * T + U_pol_slow_filt (tn-ι)
und sich die gesamte gefilterte Polarisationsspannung (U_pol_filt) durch Addition der beiden gefilterten Anteile der Polarisationsspannung (U_pol_fast_filt , U_pol_slow_filt) ergibt.
10. Verfahren zur Vorhersage einer Spannung einer Batterie nach Anspruch 8 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Korrekturfaktor Kx 1 ist, wenn der vorbestimmte Last- strom (I_pred) -100A beträgt, während er sich für einen vorgegebenen Laststrom (I_pred) zwischen -80A und -150A aus (1- (I_pred+100)/100*0,2) ergibt.
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