EP1747476A1

EP1747476A1 - Batteriezustandserkennung

Info

Publication number: EP1747476A1
Application number: EP05749969A
Authority: EP
Inventors: Richard Aumayer; Burkhard Iske
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-05-13
Filing date: 2005-05-13
Publication date: 2007-01-31
Also published as: DE102005020835A1; US20080233471A1; WO2005111643A1; JP2007537433A

Abstract

Es wird eine Batteriezustandserkennung angegeben, die in Verbindung mit einer Reihenschaltung mehrerer Batteriezellen eingesetzt wird, insbesondere bei einer Reihenschaltung von wenigstens zwei Bleibatterien in einem Fahrzeugbordnetz mit einer gegenüber herkömmlichen Bordnetzspannungen erhöhten Spannung. Die Batteriezustandserkennung soll dabei sowohl einen Defekt in einer Batterie erkennen als auch einen Defekt im Gesamtsystem erkennen und entsprechende Signale an ein übergeordnetes Energiemanagement abgeben sowie gegebenenfalls eine Anzeige auslösen. Zusätzliche Mittel ermöglichen einen Ladungsausgleich in den Batterien durch gezieltes Nachladen oder gezieltes Entladen bei ungleich geladenen Batterien.

Description

Batterieztistandserkennung

Die Erfindung geht aus von einer Batteriezustandserkennung, insbesondere einer Batteriezsutandserkennung mit mehreren in Reihe bzw. Serie geschalteten Batterien, Batteriezellen oder sonstigen Ladungs- oder Energiespeichem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Üblicherweise sind Batterien, beispielsweise solche, die in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden aus einer Serienschaltung mehrerer Batteriezellen aufgebaut. Die Nennspannung der Batterien ergibt sich dabei aus der Summe der Einzelspannungen der Batteriezellen. Die Batterien selbst weisen zwei Anschlüsse auf, jeweils einen Plus- und einen Minusanschluss, zwischen denen ihre Nennspannung liegt. Da eine einzige Batterie teilweise nicht ausreicht um die gewünschte Spannung zu erzeugen, ist es weiterhin bekannt, wenigstens zwei Batterien mit einander in Serie zu schalten und so eine Spannung zu erhalten, die der Summe der Nennspannungen der Batterien entspricht. Eine solche Serienschaltung zweier 12 Volt Batterien ist beispielsweise in Nutzfahrzeugen üblich, zur Ermöglichung einer Gesamtspannung von 24 Volt. Verbraucher, die eine Versorgungsspannung von 12 Volt benötigen, können sowohl an die eine als auch an die andere Batterie angeschlossen werden, Verbraucher, die eine höhere Spannung benötigen, werden an die Klemmen der Serienschaltung der beiden Batterien angeschlossen.

Da sich die miteinander in Serie geschalteten Batteriezellen bzw. auch die in Serie geschalteten Batterien unterschiedlich entladen können, wird beispielsweise in der DE 101 50376 AI vorgeschlagen, Schaltungsmittel einzusetzen, die einen Ladungsausgleich zwischen den Batterien durchführen, der sowohl beim Laden als auch beim Entladen der Batterie funktioniert. Damit soll sichergestellt werden, dass beide Batterien gleichmäßig geladen werden. Die Schaltungsmittel, die den Ladungsausgleich ermöglichen, sind relativ aufwändig und umfassen wenigstens einen Kondensator sowie mehrere

Transistoren sowie eine zugehörige Logik. Eine Batteriezustandserkennung ist bei der bekannten Lösung jedoch nicht vorgesehen.

Bei Vorrichtungen zur Spannungsversorgung, beispielsweise in einem Fahrzeugbordnetz mit nur einer einzigen Batterie ist es bekannt, eine Batteriezustandserkennung durchzuführen. So wird beispielsweise in der DE 101 06 505 AI vorgeschlagen, mittels eines gemessenen Betriebsparameters der Batterie sowie einer Zustandsschätzroutine den jeweils aktuellen Batteriezustand zu erkennen und damit insbesondere eine völlige Entladung der Batterie zu verhindern.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Zustandserkennung bei einem Ladungsspeicher, insbesondere eine Batteriezustandserkennung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, bei einer Serienschaltung mehrerer Batteriezellen, insbesondere bei einer Serienschaltung mehrerer

Ladungsspeicher, mehrerer Batterien oder mehrerer Batteriezellen eine zuverlässige Zustandserkennung zu ermöglichen. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass eine Zustandserkennung, insbesondere eine Batteriezustandserkennung, die ausgeht von einer prinzipiell bekannten Batteriezustandserkennung für eine 12 V Batterie eingesetzt werden kann, insbesondere für eine 24 V Spannungsversorgung mit zwei in Serie geschalteten 12

Volt Batterien.

Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt. Diese Maßnahmen betreffen beispielsweise Möglichkeiten, wie bei Systemen mit höherer Spannungslage, bei denen eine zu überwachende Anzahl von

Einzelzellen als Cluster bezeichnet werden, durch Reihen- bzw. Serienschaltung mehrerer Cluster Spannungen erreicht werden, die ein ganzzahliges Vielfaches der Einzelzellenspannungen darstellen, Batteriezustandserkennungen sowohl für jedes Cluster als auch für das Gesamtsystem erhalten werden. Die Batteriezustandserkennungen arbeiten dabei computergestützt und berücksichtigen vorgebbare Algorithmen. Zur Verringerung der Rechenintensivität bei der Auswertung großer Cluster kann es von Vorteil sein, Vereinfachungen zuzulassen und bei Clustern mit Einzelzellen mit gleichen physikalischen Eigenschaften davon auszugehen, dass sich deren physikalische Eigenschaften jeweils gleich verändern.

Zur Batteriezustandserkennung werden in der Auswerteeinrichtung, beispielsweise einem Steuergerät die Batteriespannung und die Batterietemperatur, die für jede Batterie getrennt ermittelt werden, sowie der gemessene Strom, der durch die Serienschaltung der Batterien fließt, ausgewertet. Es wird so ein Batteriezustandsalgorithmus für jede Batterie, unabhängig vom Gesamtsystem berechnet, der den Batteriezustand jeder der beiden Batterien erkennen lässt. Ausgehend von diesen Informationen kann eine Aussage über einzelne Batterien bzw. Energiespeicher undoder über das Gesamtsystem getroffen werden.

Weitere in den Unteransprüchen angegebene Maßnahmen beziehen sich darauf, ein gezieltes Nachladen einer Batteriezelle, einer Batterie oder beider Batterien oder eines Clusters zu ermöglichen, sofern die Batteriezustandserkennung für eine Batterie einen abweichenden Ladezustand anzeigt.

Besonders vorteilhaft ist, dass die durch ungleichmäßiges Entladen entstehenden Folgen sowie unterschiedliche Alterungseffekte der einzelnen Batteriezellen, insbesondere der einzelnen Batterien erkannt werden und zuverlässig verhindert wird, dass dadurch die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems verringert wird. Die Erkennung der ungleichmäßigen Entladung sowie der unterschiedlichen Alterungseffekte wird ermöglicht, indem jeder Batteriezelle, insbesondere jeder Batterie eine eigene

Batteriezustandserkennung zugeordnet wird und mittels einer übergeordneten Batteriezustandserkennung die Ergebnisse der für die einzelnen Batterien durchgeführte Batteriezustandserkennung miteinander in Verbindung gebracht werden.

Bei erkanntem ungleichem Zustand der Batterien können in vorteilhafter Weise gezielte

Maßnahmen ausgelöst werden, die ein gezieltes Nachladen der Batterie mit dem schlechteren Ladezustand und damit eine effizientere Nutzung des Gesamtsystems ermöglichen. Dabei kann in vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen sein, dass ein Gleichspannungswandler DC/DC-Wandler) eingesetzt wird, der die Ladespannung für die schlechter geladene Batterie in vorgebbarer Weise erhöht und damit eine bessere Ladung ermöglicht. Damit können alle Batteriezellen bzw. beide Batterien auf gleichem Ladeniveau gehalten werden und somit optimal geladen werden.

Bei erkanntem ungleichem Zustand der Ladungsspeicher bzw. Batterien können in vorteilhafter Weise aber auch gezielte Maßnahmen ausgelöst werden, die ein gezieltes

Entladen des Ladungsspeichers bzw. der Batterie mit dem besseren Ladezustand ermöglichen. Damit können alle Batteriezellen bzw. beide Batterien auf gleichem Ladeniveau gehalten werden und somit optimal geladen werden. Es ist daher ebenfalls eine effizientere Nutzung des Gesamtsystems möglich, da verhindert wird, dass die besser geladene Batterie den Strom und die Gegenspannung beim Laden bestimmt und dadurch die schlechter geladene Batterie noch unzureichender geladen wird. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung wird die zum Ladungsausgleich vorgesehene gezielte Entladung der Batterie mit dem besseren Ladezustand mittels eines zusätzlichen Widerstandes durchgeführt, der mittels eines Umschalters an die Batterie mit dem besseren Ladezustand geschaltet werden kann.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung kann das Steuergerät selbst zur Entladung der bessere geladenen Batterie herangezogen werden.

Ist jeder Batterie ein separates Steuergerät zugeordnet, kann in vorteilhafter Weise die

Hardware von herkömmlichen Systemen, also von 12 Volt-Systemen mit geringem Aufwand übertragen werden und damit eine sehr kostengünstige Lösung erhalten werden.

Die erfindungsgemäße Batteriezustandserkennung arbeitet in vorteilhafter Weise mit einem üblicherweise computergestützt arbeitenden Elektronischen-Energie-Management

(EEM) in einem Fahrzeug zusammen, wobei dieses auf die Informationen der Batteriezustandserkennung zugreift und die erforderlichen Ansteuerungen veranlasst Über Anzeigemittel können die vorliegenden Batteriezustände angezeigt werden.

Die erfindungsgemäße Batteriezustandserkennung kann mit entsprechenden Anpassungen nicht nur für Batterien, sondern generell für alle Ladungsspeicher eingesetzt werden, vorteilhafter Weise auch für Kombinationen mit unterschiedlichen Ladungsspeichertypen. Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren 1 bis 4 dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Figur 1 zeigt dabei eine Batteriezustandserkennung bei einer Reihenschaltung von Energiespeichem, beispielsweise einer Reihenschaltung zweier Bleibatterien in einem 24 V Bordnetz in einem Fahrzeug. In Figur 2 ist eine Batteriezustandserkennung bei einer Reihenschaltung von Clustern von Energiespeichern dargestellt. Figur 3 zeigt eine Batteriezustandserkennung mit gezieltem Nachladen, beispielsweise für zwei Bleibatterien in einem 24 V Bordnetz und Figur 4 zeigt eine Batteriezustandserkennung mit gezieltem Entladen, beispielsweise wiederum für zwei Bleibatterien in einem 24 V Bordnetz. Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für gezieltes Entladen der besser geladenen Batterie unter Verwendung von Steuergeräten und Figur 6 ein Ausführungsbeispiel für ein Batterie-Management-System für beliebige Spannungen und Systeme.

Beschreibung

Herkömmliche Vorrichtungen zur Batteriezustandserkennung für 12 V Batterien arbeiten beispielsweise so, dass aus verschiedenen gemessenen Batteriegrößen der Batteriezustand ermittelt wird. Diese Größen können der Batteriestrom, die Batteriespannung und die Batterietemperatur sein. Ausgehend von diesen Größen wird in einer Auswerteeinrichtung, beispielsweise einem Steuergerät der Batteriezustand bestimmt.

In Figur 1 ist eine Batteriezustandserkennung dargestellt, mit deren Hilfe der

Batteriezustand in einem System mit zwei in Reihe geschalteten Batterien erkannt werden soll. Im Falle der Reihenschaltung zweier Energiespeicher bzw. Batterien 10, 11 reicht es aus, mit Hilfe eines Stromsensors 12 den Gesamtstrom I zu ermitteln, während die Parameter Temperatur T und Spannung U sowie deren Änderungen für jeden Energiespeicher bzw. jede Batterie getrennt erfasst werden müssen. Dazu werden beispielsweise Spannungsmesser 13, 14, die die Spannung Ul bzw. U2 ermitteln sowie Temperatursensoren 15, 16, die die Temperaturen TI bzw. T2 ermitteln, eingesetzt. Die zugehörigen Messwerte werden der Batteriezustandserkennung 17 zugeführt und von dieser ausgewertet. Die Batteriezustandserkennung 17 ist beispielsweise ein Steuergerät mit einem nicht dargestellten Prozessor oder Mikrocomputer und umfasst zusätzlich wenigstens zwei Speicher 18, 19 zur Speicherung der Daten des Energiespeichers 1 bzw. der Batterie 10 sowie des Energiespeichers 2 bzw. der Batterie 11. Weiterhin sind Auswertemittel 20 vorhanden, die einen Batteriezustandsalgorithmus abarbeiten, wobei dies unabhängig vom Gesamtsystem für jeden Energiespeicher bzw. jede Batterie 10, 11 separat erfolgt.

Das Ergebnis dieser Auswertung wird einem Block 21 zugeführt, der eine Aussage über den Zustand der einzelnen Energiespeicher an einem Block 22 abgibt. Im Block 22 erfolgt die Auswertung für die Gesamtsystemaussagen unter Berücksichtigung der im

Block 21 getroffenen Aussagen über die einzelnen Energiespeicher bzw. Batterien 10, 11. Je nach Ergebnis der Auswertung für Gesamtsystemaussagen im Block 22 wird eine entsprechende Mitteilung an das elektrische Energiemanagement (EMM) 23 abgegeben, sowie gegebenenfalls eine Anzeige 24 ausgelöst, wobei die Anzeige 24 auch allein ausgelöst werden kann, wenn die Aussagen über einen einzelnen Energiespeicher eine solche Anzeige erfordern.

Mit dem in der Figur 1 beschriebenen System für eine Batteriezustandserkennung bei Reihenschaltung von Energiespeichern, beispielsweise zwei Bleibatterien im 24 V Bordnetz kann aus der Einzelaussage für jede Batterie eine Gesamtauswertung des

Systemes abgeleitet werden. Die Auswertung des Gesamtssystems kann sowohl in einer Anzeige als auch in einem Energiemanagementsystem verwendet werden. Durch Übertragung der für 12 V Batterien bereits bekannten Batteriezustandserkennung auf eine Reihenschaltung von Energiespeichem kann das vorhandene Know-how genutzt werden. Es ist eine Überwachung der Einzelbatterien möglich und gegebenenfalls auch die

Möglichkeit gegeben, bei einer auftretenden SOC (State of Charge)-Differenz eine gezielte Ausgleichsladung an nur einer Batterie bzw. an nur einem Energiespeicher durchzuführen. Die Batteriezustandserkennung 17 bzw. der Mikrocomputer des betreffenden Steuergeräts kann mit einem einzigen Prozessor mit hoher Taktfrequenz ausgestattet sein, wobei der Prozessor die Auswertung für die Einzelbatterien nacheinander durchführt. Bei einer nachträglichen Zuschaltung eines 12 V Verbrauchers an eine Batterie kann ein vorzeitiger Systemausfall vermieden werden, da bei der vorstehend beschriebenen Batteriezustandserkennung ein solches Zuschalten erkannt wird und eine gezielte Nachladung der betreffenden Batterie durchgeführt werden kann bzw. andere geeignete Maßnahmen getroffen werden können. In Figur 2 ist eine Batteriezustandserkennung bei einer Reihenschaltung von mehreren Clustem von Energiespeichem dargestellt. Dabei wird eine zu überwachende Anzahl von Einzelzellen als Cluster bezeichnet. Durch in Reiheschaltung mehrerer solcher Cluster können Spannungen erreicht werden, die ein ganzzahliges Vielfaches der

Einzelzellenspannungen bzw. der Einzelcluster darstellen. Auch hier reicht eine einzige Strommessung, die den Gesamtstrom der Reihenschaltung der Cluster ergibt, aus, um eine effektive und wirksame Batteriezustandserkennung durchzuführen. Die Parameterspannung U sowie Temperatur T sollte jedoch für jeden Cluster erfasst werden, damit eine zuverlässige Auswertung möglich ist. Die Einzelzellen bzw. Cluster können auch aus anderen elektrochemischen Systemen bestehen als Blei- Säure-Zellen. Die Algorithmen zur Auswertung sind dann entsprechend anzupassen.

Die Algorithmen zur Auswertung können gegebenenfalls rechenintensiv sein, so dass nicht beliebig große Cluster mit einer Recheneinheit überwacht werden sollten. Bei

Clustem von Einzelzellen, die gleiche physikalische Eigenschaften besitzen, kann davon ausgegangen werden, dass sich deren physikalische Größen annähernd gleich verändern.

Dies gilt insbesondere für die Alterung, den Innenwiderstand, den Ladezustand SOC

(State of Charge) usw. Daher ist es möglich, durch Überwachung einer Teilmenge der Einzelzellen auf den Zustand der übrigen Einzelzellen zu schließen. Wird diese

Teilmenge regelmäßig verändert, ist demnach die Überwachung des gesamten Clusters mit verkürzter Rechenzeit möglich.

Die in Figur 2 dargestellte Batteriezustandserkennung bei Reihenschaltung von Clustem von Energiespeichem bzw. Batterien ist wie folgt aufgebaut:

Die einzelnen Batteriezellen, die als Cluster 1, Cluster 2 bis Cluster N bezeichnet sind, tragen die Bezugszeichen 25, 26 und 27 und sind miteinander in Reihe geschaltet, wobei in üblicher Weise jeweils der Pluspol des einen Clusters mit dem Minuspol des anderen Clusters verbunden ist. Eine Strommessung 28 liefert den Gesamtstrom I. Zusätzlich wird für jeden Cluster bzw. jede Anzahl von Einzelzellen die Spannung U sowie die Temperatur T mittels nicht dargestellter Sensoren bzw. Spannungsmesser ermittelt. Die Größen Spannung U, Strom I und Temperatur T werden getrennten Batteriezustandserfassungseinheiten für die einzelnen Cluster 1, Cluster 2 ... Cluster N zugeführt. Die zugehörigen Batteriezustandserkennungseinheiten sind mit den Bezugszeichen 29, 30 und 31 bezeichnet. Die Ergebnisse der einzelnen Batteriezustandserkennungen für die Cluster 1, Cluster 2, Cluster N werden einem Block 32 für die Auswertung für Gesamtsystemaussagen zugeführt. Die Auswertung für Gesamtsystemaussagen ist beispielsweise Bestandteil eines Masters 33, der ein Ausgangssignal an das Elektrische Energiemanagement EEM abgibt und/oder eine

Anzeige 34 auslöst.

In Figur 3 ist eine Batteriezustandserkennung dargestellt, die ein gezieltes Nachladen eines der Energiespeicher bzw. einer der Batterien ermöglicht. Dabei ist die eigentliche Batteriezustandserkennung identisch mit der aus Figur 1 bekannten

Batteriezustandserkennung. Zusätzlich sind noch Schaltungsmittel vorhanden, mit deren Hilfe ein gezieltes Nachladen der Batterie mit dem schlechteren Ladezustand möglich ist.

Diese Mittel umfassen den Generator 35, der als 24 V Generator ausgestaltet ist und über einen Spannungswandler 36 sowie einen Umschalter 37 zur gezielten Nachladung einer der Batterien eingesetzt werden kann. Über weitere Schalelemente 38, 39 lässt sich die Serienschaltung der beiden Energiespeicher 10, 11 mit dem Plusanschluss des Systems verbinden. Das Management des gezielten Nachladens einer der beiden Batterien übernimmt das elektrische Energiemanagement EEM, das über entsprechende Verbindungen mit dem Umschalter 37 sowie den Schaltern 38, 39 in Verbindung steht und diese öffnet oder schließt. Die vom Generator 35 gelieferte Spannung von 24 V wird über den Gleichspannungswandler 36 auf 12 V gewandelt und über den Umschalter 37 der zu ladenden Batterie 10 oder 11 zugeführt Für eine galvanische Trennung von Generator und nachzuladender Batterie können entweder die Batterien 10 oder 11 vom übrigen Bordnetz entkoppelt werden, so dass der Generator 35 für die Zeitdauer des gezielten Nachladens die Versorgung des gesamten Bordnetzes übernehmen muss. Die Trennung kann aber auch bereits durch eine entsprechende Ausgestaltung des DC/DC- Wandlers erreicht werden.

Der Ladestrom IL des gezielten Nachladens wird mit Hilfe eines weiteren Stromsensors

40 erfasst und den Speichern 18, 19 zugeführt und somit der Batteriezustandserkennung 17 für die Zustandsermittlung zur Verfügung gestellt. Ungleichmäßiges Entladen sowie unterschiedliche Alterungseffekte der einzelnen Batterien, die zur Verringerung der Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems führen könnten, werden so erkannt und können damit vermieden werden. Die Batteriezustandserkennung der einzelnen 12 V Batterien ist die Grundlage für das Erkennen der Notwendigkeit für gezieltes Nachladen der einzelnen Batterien und damit für eine effizientere Nutzung des Gesamtsystems.

In Figur 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Batteriezustandserkennung dargestellt, mit einem System mit zwei Energiespeichem bzw. Batterien 10, 11, beispielsweise zwei Bleibatterien in einem 24 V Bordnetz. Bei diesem Ausführungsbeispiel findet die Batteriezustandserkennung statt wie beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1, Zusätzlich wird mittels gezieltem Entladen sichergestellt, dass beide Energiespeicher bzw. Batterien gleichmäßig geladen sind. Dazu wird die Batterie, bei für die Batteriezustandserkennung den höheren Ladezustand ergibt, gezielt entladen, bis ihr Zustand dem Zustand der anderen Batterie entspricht

Im Einzelnen ist die Batteriezustandserkennung nach Figur 1 hier erweitert, um einen Umschalter 41, der auf 12 V liegt sowie einen Strommesser 42, der den Strom IE misst und einen Widerstand 43 mit samt zugehöriger Verschaltung. Mit diesen Bauteilen ist ein gezieltes Entladen einer einzelnen Batterie möglich. Das Management des gezielten Entladens übernimmt das Elektrische Energiemanagement (EMM) 23. Dabei wird die Batterie mit dem besseren bzw. höheren Ladezustand über den Widerstand 43 definiert entladen. Die Verbindung zu dem Widerstand wird mit Hilfe des Umschalters 41 hergestellt, der vom EMM 23 angesteuert wird. Der Entladestrom des gezielten Entladens wird mit Hilfe des weiteren Stromsensors 42 erfasst und der zugehörigen Batteriezustandserkennung zur Verfügung gestellt Das Verfahren eignet sich besonders, wenn bereits kleine Unterschiede im Ladezustand ausgeglichen werden sollen.

In einer weiteren Ausgestaltung ohne zusätzliche Strommessung kann das Anbringen eines Zusatzwiderstandes mit Umschalter an jeder Batterie vorgesehen werden. Der Umschalter bekommt dann die Information über den ungleichmäßigen Ladezustand und schaltet den Zusatzwiderstand zu. Die Zeitspanne, während der der Zusatzwiderstand zugeschaltet werden soll, wird vom Elektrischen Energiemanagement 23 berechnet, beispielsweise über die bekannte Differenz im Ladezustand und den bekannten Wert des

Zusatzwiderstandes. Durch diese Vorgehensweise lässt sich der Ladezustand so ausgleichen, dass keine Ladezustandsdifferenz mehr vorhanden ist

In einer weiteren Variante für das gezielte Entladen einer Batterie kann auch das Steuergerät selbst genutzt werden. Dazu muss die Stromversorgung des Steuergeräts über einen entsprechenden Umschalter an die zu entladende Batterie angeschlossen werden. Dabei kann das Steuergerät auch in den Ruhephasen den Entladestrom permanent messen ohne die übrigen Batterien zu belasten. Außerdem kann durch Variation der Taktfrequenz der Recheneinheit des Steuergeräts der Entladestrom in gewissem Rahmen für jede Batterie separat eingestellt werden.

In Figur 5 ist als Erweiterung zur vorstehend genannten Lösung ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem zum gezielten Entladen der Batterie das Steuergerät selbst genutzt wird. Dabei wird für jede Batterie ein separates Steuergerät eingesetzt, es kann daher, wie vorstehend beschrieben, das Steuergerät selbst die Batterie entladen, indem das Steuergerät selbst die Schaltfunktion übernimmt oder indem der Stromverbrauch des Steuergeräts erhöht wird, beispielsweise durch entsprechende Taktung des Prozessors des Steuergeräts. Durch diese Maßnahme kann der Umschalter, der für die galvanische Trennung notwendig ist und recht aufwändig ist, entfallen.

Ist das Steuergerät mit einem Stromsensor ausgestattet, kann außerdem der Entladestrom genau gemessen werden. Bei dieser Variante können auch mehrere Batterien gleichzeitig und unabhängig voneinander entladen werden, wobei jedes Steuergerät den Entladestrom und die Entladedauer für eine Batterie bestimmt.

Im einzelnen zeigt Figur 5 die beiden Energiespeicher bzw. Batterien 10 und 11, die mit je einem Steuergerät 44 und 45 über zugehörige Anschlüsse in Verbindung stehen, wobei die genaue Verschaltung nicht dargestellt ist, aber beispielsweise entsprechend der Lösung nach Figur 1 sein kann. Jedes Steuergerät umfasst Mittel 46 und 47 zum Messen der Batteriegrößen, beispielsweise der Spannung U, dem Strom I und der Temperatur T der betreffenden Batterie. Weiterhin sind Mittel zur Batteriezustandserkennung (BZE) 48, 49 vorhanden sowie (optional) Anzeigen 50.51. Über eine Kommunikationsverbindung 52 stehen die Steuergeräte miteinander in Verbindung, über eine weitere Verbindung 53 kann ein Elektrisches Energiemanagement des Fahrzeugs (mit Anzeige) eingebunden werden.

Zwei unterschiedlichen Ausführungsformen gehen von einem zentralen Ansatz oder einem dezentralen Ansatz aus. Beim zentralen Ansatz bestimmt jedes Steuergerät den Zustand einer Batterie und gibt die Informationen an ein übergeordnetes Energiemanagement weiter. Dieses bestimmt, welche Batterie zu entladen ist und zeigt dem Benutzer über entsprechende Anzeigemittel weitere Informationen an.

Beim dezentralen Ansatz erhält jedes Steuergerät die Information über die Zustände der übrigen Batterien über eine Kommunikationsverbindung, die die Steuergeräte galvanisch trennt oder eine Potenzialanpassung beinhaltet. Jedes Steuergerät entscheidet dann unter Berücksichtigung der Informationen über die Zustände der übrigen Batterien selbständig oder in gegenseitiger Absprache, ob eine Entladung der Batterie durchzuführen ist. Jedes Steuergerät kann zudem mit einer Anzeige ausgerüstet sein, beispielsweise eine LED, die dem Ladezustand der Batterie angibt und beispielsweise einen erforderlichen

Batterietausch anzeigt. Eine solche dezentrale Lösung kann als Nachrüstsatz eingesetzt werden, da es keiner Kommunikation zum übrigen Fahrzeug bedarf, und das System völlig autonom arbeitet.

In Figur 6 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das eine Ausführung für beliebige Spannungen und Systeme ist und für den Einsatz von skalierbaren und standardisierbaren Steuergerätefamilien geeignet ist. Ein solches Ausführungsbeispiel ist besonders geeignet als Elektrisches Energiemanagement bzw. als Batterie-Manager in Verbindung mit Nutzkraftfahrzeugen, mit einer Vielzahl von n Batteriemodulen 54 bis 56. Deren Temperaturen TI bis (optional) Tn werden mittels geeigneter Sensoren gemessen und der Batterie-Zustandsanzeige 57 bzw. mehreren solchen Batterie- Zustandsanzeigen zugeführt. Die Batterie-Zustandsanzeige 57 umfasst dabei eine Eingangsbeschaltung 58a, 58b mit jeweils einem Schalter 59a, 59b, einen Analogverstärker oder einen Hochspannungs-ASIC 60 sowie eine CPU 61, die über A/D- Wandler 62a, 62b, 62c mit dem ASIC in Verbindung steht.

Das Steuergerät 63 des Elektrischen Energiemanagements (Battery-Control-Unit (BCU)) umfasst wenigstens eine CPU 64, die über eine Schnittstelle, beispielsweise eine SPI- Schnittstelle mit einem ASIC 65 in Verbindung steht. Die CPU ist frei wählbar und insbesondere zum Erhalt einer skalierbaren und standardisierten Steuergerätefamilie einsetzbar. Entsprechend angepasst kann daher das Gesamtsystem so ausgelegt werden, dass es für beliebige Spannungen einsetzbar ist

Dem ASIC 65 werden über A/D-Wandler die Spannung Up und der Strom Ip zugeführt. Diese für den Battery-Pack charakteristische Größen stellen den Gesamtstrom bzw. die Gesamtspannung dar und werden mittels einer eigenen CPU 67 verarbeitet. Die Ergebnisse der Auswertung werden über die SPI-Schnittstelle der BMU zur Verfügung gestellt, die diese Ergebnisse bei der Ermittlung des Batteriezustandes berücksichtigt. Der ermittelte Batteriezustand wird dann von der BMU an das Steuergerät 63 weitergegeben.

Die die CPU 64 der Battery-Control-Unit BCU 63 steht über eine geeignete Schnittstelle, beispielsweise eine CAN-Schnittstelle 68 sowie Blöcke 69 bis 72 mit dem Relais, einer Isolierschaltung, eine Pulsweitenmodulationsschaltung und gegebenenfalls über Anordnungen, die noch gewählt werden können, mit zugehörigen Schaltungen oder entsprechenden Vorrichtungen in Verbindung.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele sind primär dazu geeignet, herkömmliche Batteriezustandserkennungen für 12 V Batterien auszudehnen auf Spannungsversorgungssysteme, bei denen wenigstens zwei 12 V Batterien zueinander in Reihe geschaltet sind, so dass eine Gesamtspannung von 24 V erhalten wird. Damit kann die erfindungsgemäße Batteriezustandserkennung auch in Bordnetzen von Nutzfahrzeugen mit üblicherweise 24 Volt Bordnetzspannung eingesetzt werden. Prinzipiell ist die Erfindung jedoch auch einsetzbar für eine Reihenschaltung mehrerer Batteriezellen, die jeweils ein Cluster bilden, wobei der Ladezustand der Cluster jeweils einzeln sowie gesamt ermittelt werden soll. Der Ausdruck "Batterie" steht stellvertretend für beliebige Ladungs- oder Energiespeicher und umfasst somit beispielsweise auch Blei- Säure-Batterien, Batteriezellen, Cluster von Ladungsspeichern, Nickel-Cadmium-Zellen sowie Kondensatoren etc.

Claims

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Erkennung des Zustandes eines Energie- oder Ladungsspeichers, insbesondere einer Batterie, mit Mitteln zur Erfassung vorgebbarer Parameter des Energie- oder Ladungsspeichers, insbesondere der Batterie und Auswertemitteln, die aus den ihnen zugeführten Parametern den Zustand des Ladungsspeichers bzw. der Batterie ermittern, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungsspeicher wenigstens zwei miteinander in Serie geschaltete Zellen oder Batterien umfasst und als Parameter wenigstens die Spannung und oder die Temperatur aller Ladungsspeicher ermittelt wird und der Gesamtstrom der Reihenschaltung der Zellen oder Batterien gemessen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energie- oder Ladungsspeicher Bestandteil eines Fahrzeugbordnetzes ist und wenigstens zwei in Serie geschaltete Batteriezellen, vorzugsweise sechs in Serie geschaltete Batteriezellen aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Energie- oder Ladungsspeicher aus zwei miteinander in Serie geschalteten Bleibatterien besteht, zur Erzeugung einer Gesamtspannung von 24 V.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher eine Reihenschaltung von Clustem von Energiespeichem umfasst, wobei die Cluster vorgebbare Anzahl von Einzelzellen umfassen, zur Erzielung einer Gesamtspannung, eines ganzzahliges Vielfaches der Einzelzellenspannungen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass von jeder Batterie oder jedem Cluster die Spannung und/oder die Temperatur ermittelt wird und jeder Batterie oder jedem Cluster eine eigene Batteriezustandserkennung zugeordnet wird.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinrichtung für das Gesamtsystem vorhanden ist, die mit den einzelnen Batteriezustandserkennungen in Verbindung steht und abhängig von den von den Batteriezustandserkennungen erhaltenen Informationen Signale an ein übergeordnetes Energiemanagement und/oder eine Anzeige abgibt

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung wenigstens einen Rechner oder Prozessor umfasst, der den Batteriezustand aus den zugeführten Größen mittels vorgebbar Algorithmen ermittelt, wobei der Rechner oder Prozessor sowohl den Zustand der Einzelnen Batterien als auch den Gesamtzustand ermittelt und die Zustandsermittlungen insbesondere aufeinanderfolgend durchführt

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Batteriezustandsbestimmung Cluster von Einzelzellen, die gleiche physikalische Eigenschaften aufweisen zusammengefasst werden und ein Auswertealgorithmus aufgestellt wird, der berücksichtigt, dass deren physikalische Größen sich zeitabhängig im Wesentlichen gleich ändern.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Mittel vorhanden sind, die einen Ladungsausgleich oder eine Ladungsanpassung in den Batterien oder Clustem ermöglichen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Mittel, die einen Ladungsausgleich oder eine Ladungsanpassung ermöglichen so ausgestaltet sind, dass die Batterie mit dem schlechteren Ladezustand selektiv ladbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Mittel, wenigstens einen Generator, einen Spannungswandler sowie Umschalter umfassen, die so ansteuerbar sind, dass die selektiv zu ladende Batterie zeitweilig mit dem Spannungswandler verbindbar sind und die andere Batterie gleichzeitig abgetrennt ist

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Mittel einen Strommesser umfassen, der den Ladestrom misst und der gemessenen Ladestrom IL bei der Batteriezustandsermittlung berücksichtigt wird.

13. Vorrichtung nach Ansprach 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Mittel, die einen Ladungsausgleich oder eine Ladungsanpassung ermöglichen so ausgestaltet sind, dass die Batterie mit dem besseren Ladezustand selektiv entladbar ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Mittel, wenigstens einen Entladewiderstand sowie Umschalter umfassen, die so ansteuerbar sind, dass die selektiv zu entladende Batterie zeitweilig mit dem Entladewiderstand verbindbar ist und die andere Batterie gleichzeitig abgetrennt ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladung über das Steuergerät selbst erfolgt, das über einen Umschalter mit der zu entladenden Batterie verbindbar ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Batterie ein Steuergerät zugeordnet ist und die Entladung über das der zu entladenden Batterie zugeordnete Steuergerät erfolgt, wobei das Steuergerät dann seinen Stromverbrauch erhöht, insbesondere durch geeignete Taktung des Prozessors des Steuergerätes.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Batterie gleichzeitig entladbar sind, durch entsprechende Ansteuerung der zugeordneten Steuergeräte.

18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strommesser vorhanden ist, der den Entladestrom E) misst und der gemessene Entladestrom (IE) bei der Batteriezustandsermittlung berücksichtigt wird.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezustandsermittlung zentral von jedem Steuergerät vorgenommen wird und die Information dem übergeordnete Energiemanagement zuführbar ist und das Energiemanagement bestimmt, welche Batterie zu entladen ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezustandsermittlung vom übergeordneten Energiemanagement vorgenommen wird und dieses die einzelnen Steuergeräte über eine Kommunikationsverbindung mit den erforderlichen Zustandsinformationen versorgt und jedes Steuergerät unter Berücksichtigung der zugeführten Informationen dezentral entscheidet, welche Batterie entladen wird.

21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Durchführen des der Ladungsausgleichs der Batterien diesen beenden, wenn eine vorgebbare Zustandsangleichung erkannt wird.

22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriesteuerung so aufgebaut ist, dass eine wählbare CPU einsetzbar ist, insbesondere zum Erhalt einer skalierbaren und standardisierbaren Steuergerätefamilie undoder das Gesamtsystem für beliebige Spannungen einsetzbar ist.

23. Verfahren zur Batteriezustandserkennung dadurch gekennzeichnet, dass es in wenigstens einer der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche abläuft.