EP2939037A1 - Verfahren zum bestimmen eines ladezustands - Google Patents

Verfahren zum bestimmen eines ladezustands

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Publication number
EP2939037A1
EP2939037A1 EP13783313.3A EP13783313A EP2939037A1 EP 2939037 A1 EP2939037 A1 EP 2939037A1 EP 13783313 A EP13783313 A EP 13783313A EP 2939037 A1 EP2939037 A1 EP 2939037A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
battery
value
input parameter
charge
state
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13783313.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christel Sarfert
Juergen Motz
Ingo Koch
Thorsten Werle
Martin Holger Koenigsmann
Eberhard Schoch
Gabor Barany
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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 Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2939037A1 publication Critical patent/EP2939037A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G01R31/3828—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC using current integration
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/367—Software therefor, e.g. for battery testing using modelling or look-up tables

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for determining a state of charge
  • the state of charge (SOC) of a battery is typically determined by integrating the current through the battery over time. For this integration, however, it is necessary that at least an initial value of the battery charge is known. In order to be able to compensate for a drift caused by measuring tolerances, recalibrations of the state of charge can be carried out at specific time intervals. This is done by measuring a quiescent potential while the battery is at rest and only a small load current flows through the battery. Furthermore, it is possible to detect a full charge state when the battery is sufficiently charged with electrical energy after a charging operation.
  • Document DE 10 2006 036 784 A1 describes a method for determining the capacity of a battery with the aid of a state variable and parameter estimator which calculates state variables and parameters of a mathematical energy storage model from various operating variables of the battery.
  • the state of charge of the battery can be determined very accurately during normal battery operation if it is calculated as a function of at least one capacity-dependent parameter.
  • a state of charge (SOC) of an electrical energy store is determined during a charging process of the electrical energy store with electrical energy.
  • the state of charge can also be determined when the charging process for the energy storage is not completed and thus no Volladungsschreib for the energy storage is reached.
  • the electrical energy storage is generally referred to as a battery, which may be formed, for example, as a lead-acid battery and / or as a starter battery of a motor vehicle.
  • the method can be carried out for each loadable and rechargeable electrical energy storage.
  • the method may u. a. be carried out for at least one electrical energy storage of a motor vehicle and is also suitable for a motor vehicle with a hybrid drive, wherein an electric motor of this motor vehicle is powered by such an electrical energy storage with electrical energy.
  • a motor vehicle whose at least one electrical energy storage while driving by converting mechanical energy into electrical energy, eg. Loaded via a generator designed as an alternator and / or via the operated during a braking operation as a generator electric motor.
  • a charge time provided for this purpose can be limited to a travel time of on average twenty to thirty minutes, whereas a travel time required for a full charge can amount to three to four hours depending on the state of charge.
  • the state of charge is deliberately maintained at a value which is less than 100%.
  • various measures can be taken.
  • at least one value for at least one relevant measured variable and / or at least one relevant operating parameter of the battery can be detected as at least one input parameter. It is thus possible to detect a charging situation on the basis of a battery current Ibatt flowing through the battery and / or a battery voltage Ubatt applied to the battery as at least one input parameter.
  • Values of the at least one detected measured variable and / or of the at least one detected operating parameter can be checked for a validity range and for consistency.
  • the state of charge can be determined on the basis of the input data for the values of the at least one detected measured variable and / or of the at least one detected operating parameter via a characteristic field, for example by comparison and / or calculation.
  • a recognition of the charging situation of the battery can be carried out on the basis of the battery current Ibatt and / or the battery voltage Ubatt as the operating parameter.
  • actual values for these electrical operating parameters can be compared with charging thresholds Ibattjoad for the battery current and Ubattjoad for the battery voltage. If Ubatt> Ubattjoad and Ibatt> Ibattjoad, it detects that the battery is being charged.
  • input signals for actual values of the electrical operating parameters can be pre-filtered in order to avoid unwanted disturbances.
  • a detection of relevant measured variables and battery parameters is carried out in a second step of the method during the charging process.
  • a so-called charge acceptance of the battery ie their ability electrical Absorb energy and thus be charged with electrical energy, determined. Since the charge acceptance is generally dependent on operating parameters, such as a voltage applied during the charging process, which can also be referred to as battery voltage or charging voltage, the temperature and the state of charge of the battery, can be determined by determining the charge acceptance and all relevant operating and / or environmental parameters in turn, the state of charge can be determined.
  • all input parameters relevant for the charging process which comprise the operating and / or environmental parameters, can be determined and an associated characteristic field for the state of charge can be determined as a function of these input parameters.
  • Values for input parameters can be a value for a first current integral
  • the values of the aforementioned current integrals Q5, Q10, Q15 are used instead of the battery current Ibatt, since this may transiently or transiently behave in the motor vehicle and therefore be subject to fluctuations, so that the state of charge is determined comparatively inaccurately can be.
  • battery power Ibatt during To measure several time intervals and for each time interval as a value to determine a mean value of the battery current Ibatt.
  • a check of input data as values for the input parameters on their scope and their consistency and thus on their plausibility is performed in a third step.
  • it is checked whether the values of the input parameters are within the validity of the characteristic map over a planned measurement period and / or sufficiently stable, for example continuous, in order to be able to determine an acceptable result for the state of charge to be determined. For this, value ranges as well as minimum and maximum values of the input parameters are checked. If ranges of values as well as minimum and maximum values of the input parameters are within predefined threshold values, the state of charge can be calculated.
  • the determination of the state of charge can be carried out in the fourth step of the method based on the input parameters via a map.
  • a multi-dimensional characteristic map based on empirically determined values of input parameters is used.
  • the characteristic map can be provided by a linear regression over the determined and / or calculated values of the input parameters, which can be carried out in a resource-friendly manner as a rule.
  • the map can be used to determine various state of charge (SOC) values that depend on different values of input parameters.
  • SOC state of charge
  • a relationship of a state of charge (SOC) value can be represented by the following regression equation (1):
  • c1, c2, c3, c4, c5, c6, c7, c8 and c9 are regression coefficients that are based on measured data and / or measured values Ubatt, Tbatt, C20nom, UcOmax, CO, Q5, Q10 and Q15 of the input parameters described below. be determined using a least-square method.
  • the regression coefficients c1, c2, c3, c4, c5, c6, c7, c8 and c9 usually ci, the values Ubatt, Tbatt, C20nom, UcOmax, CO, Q5, Q10 and Q15 can be scaled.
  • Ubatt is a measured value of the battery voltage in volts (V), which corresponds here to a charging voltage.
  • Tbatt is a measured value of the temperature of the battery in Kelvin (K).
  • C20nom is a nominal value of the rated capacity C20 of the battery in ampere hours (Ah).
  • UcOmax is a value for a maximum resting voltage of the battery in volts.
  • CO is a value for the equivalent capacity of the battery acid of the battery and is given in Farad (F).
  • Q5 is the value of a current integral for a current that has flowed for five minutes
  • Q10 is the value of a current integral for a current that has flowed for ten minutes
  • Q15 is the value of a current integral for a current that has flowed for fifteen minutes
  • the values for the current integrals are given in ampere-seconds (As).
  • regression equation (1) all significant operating parameters to be used as input variables are recorded.
  • the regression equation (1) can be supplemented by values for additional input parameters, which are scaled by regression coefficients ci.
  • the input parameters are combined with the regression equation (1) to provide the map.
  • the regression equation (1) which is used to calculate the state of charge, uses the regression equation coefficients ci also takes into account a regression dependence as well as weighting factors for the individual values of the input parameters.
  • Figure 1 shows a schematic representation of an embodiment of the proposed arrangement, which is designed to carry out an embodiment of the described method.
  • FIG. 2 shows a diagram for carrying out the embodiment of the method described.
  • Figure 1 shows a schematic representation of an embodiment of an arrangement 2, which is designed to determine a state of charge of a here designed as a battery 4 electrical energy storage.
  • a charging process is carried out for the battery 4.
  • poles of the battery 4 are connected via supply lines 6, 8 with an electrical energy source.
  • the arrangement 2 comprises a control device 10 and an electrical measuring device 12.
  • At least one value of a battery current flowing through the battery 4 is here determined as at least one electrical input parameter.
  • riestroms Ibatt a battery voltage Ubatt applied to the battery 4 and / or a temperature Tbatt of the battery is sensed by the electrical measuring device 12, wherein the measuring device 12, as indicated in FIG. 1, is shown here via dashed lines with at least one pole of the battery 4 and / or at least one supply line 6, 8 is to be connected.
  • a measurement of the battery current Ibatt is not explicitly shown in FIG.
  • the battery current Ibatt flows through the measuring device 12, for example, by a shunt (measuring resistor) arranged in the measuring device 12.
  • a shunt measuring resistor
  • the battery current Ibatt flowing through the measuring device 12 may be measured inductively in the measuring device 12.
  • Values for input parameters determined here are transmitted to the control unit 10 for further evaluation, ie for determining the state of charge, and evaluated by the latter.
  • a charging situation of the battery 4 is determined on the basis of at least one value of at least one input parameter, here the current integral, as well as on the basis of the battery voltage Ubatt and / or a temperature Tbatt of the battery 4 during the charging process. For this u. a. checks to what extent a value of the at least one input parameter is greater than or less than a threshold value provided for this purpose.
  • the at least one value of the at least one input parameter is detected by the electrical measuring device 12 by measurement.
  • the at least one value of the at least one input parameter is checked for the presence of plausibility, for example on the presence of validity and consistency.
  • step 20 of the method an actual determination of the state of charge of the battery 4 is performed, if this in the Charging process is charged with electrical energy.
  • the state of charge is determined on the basis of at least one value for a current integral as at least one input parameter and at least one value for at least one further detected input parameter via a characteristic field.
  • the characteristic field can be determined beforehand experimentally by way of a regression equation as a function of the at least one value of the at least one input parameter.
  • the map is stored in the control unit 10.
  • the regression equation used here represents a dependency of the state of charge of values of the input parameters.
  • the current integral of the battery current Ibatt of the battery 4 is used, wherein at least one value of the current integral is calculated based on at least one input parameter measured during the charging process.
  • the at least one value of the current integral is determined here for at least one time interval during the at least one time interval.
  • the battery voltage and / or a temperature of the battery 4 is used. It is also possible to use as at least one additional additional input parameter, an electrical capacity of the battery 4 and / or a rest voltage of the battery. In addition, it is possible to use further operating parameters of the battery as input parameters. Values of the input parameters, i. H.
  • At least one value of the current integral and at least one value of the at least one further input parameter are linked together.
  • a regression dependence of values of the at least one input parameter can be used with one another.
  • At least one value of the current integral is determined by integration of the sensor-sensed battery current Ibatt over time. It is possible for different time intervals, usually for different lengths of time intervals, to use different values for the current integral for determining the state of charge. Usually, the time intervals during which values for the current integral, begin at the start of the charging process and be of different lengths. In an embodiment, n values of the current integral can be determined for n different time intervals. A value of a current integral, which is determined during a time interval, a value for the charge is provided, which has flowed during this time interval in the battery 4.
  • the battery 4, for which the state of charge is determined in the context of the method, can be designed as a starter battery of a motor vehicle.
  • the battery 4 may be a lead-acid accumulator.
  • the method can also be carried out for a battery 4, which is designed as a lithium-ion accumulator.
  • the state of charge can be determined on the basis of at least one value of the current integral and at least one value of the at least one further input parameter without additional integration.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Anordnung (2) und ein Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands eines elektrischen Energiespeichers (4), wenn dieser elektrische Energiespeicher bei einem Ladevorgang mit elektrischer Energie geladen wird, bei dem der Ladezustand anhand von zumindest einem Wert für ein Stromintegral als mindestens ein Eingangsparameter und zumindest einem Wert für mindestens einen weiteren Eingangsparameter über ein Kennfeld bestimmt wird.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Bestimmen eines
Ladezustands.
Stand der Technik Der Ladezustand SOC (state of Charge) einer Batterie wird in der Regel durch Integration des durch die Batterie fließenden Stroms über der Zeit bestimmt. Für diese Integration ist jedoch erforderlich, dass zumindest ein Anfangswert der Batterieladung bekannt ist. Um eine durch Messtoleranzen bedingte Drift ausgleichen zu können, können in bestimmten zeitlichen Abständen Rekalibrierungen des Ladezustands durchgeführt werden. Dies erfolgt durch Messen eines Ruhepotentials, während sich die Batterie in Ruhe befindet und durch die Batterie nur ein geringer Laststrom fließt. Weiterhin ist es möglich, einen Volladezustand zu erkennen, wenn die Batterie nach einem Ladevorgang ausreichend mit elektrischer Energie geladen ist.
Die Druckschrift DE 10 2006 036 784 A1 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen der Kapazität einer Batterie mit Hilfe eines Zustandsgrößen- und Parameterschätzers, der aus verschiedenen Betriebsgrößen der Batterie Zustandsgrößen und Parameter eines mathematischen Energiespeichermodells berechnet. Der Ladezustand der Batterie kann hierbei während des normalen Batteriebetriebs sehr genau bestimmt werden, wenn sie als Funktion wenigstens eines kapazitätsabhängigen Parameters berechnet wird.
Offenbarung der Erfindung Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren und eine Anordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung.
In Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Ladezustand (SOC) eines elektrischen Energiespeichers während eines Ladevorgangs des elektrischen Energiespeichers mit elektrischer Energie bestimmt. Dabei kann der Ladezustand auch bestimmt werden, wenn der Ladevorgang für den Energiespeicher nicht vollständig abgeschlossen und somit kein Volladungszustand für den Energiespeicher erreicht ist. Bei dem nachfolgend beschriebenen Verfahren wird der elektrische Energiespeicher in der Regel als Batterie, die bspw. als Blei-Säure-Akkumulator und/oder als Starterbatterie eines Kraftfahrzeugs ausgebildet sein kann, bezeichnet. Allerdings kann das Verfahren für jeden ent- und wieder beladbaren elektrischen Energiespeicher durchgeführt werden.
Das Verfahren kann u. a. für mindestens einen elektrischen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs durchgeführt werden und ist auch für ein Kraftfahrzeug mit einem Hybridantrieb geeignet, wobei ein Elektromotor dieses Kraftfahrzeugs von einem derartigen elektrischen Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt wird.
Bei einem Kraftfahrzeug wird dessen mindestens einer elektrische Energiespeicher während der Fahrt durch Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie, bspw. über einen als Lichtmaschine ausgebildeten Generator und/oder über den bei einem Bremsvorgang als Generator betriebenen Elektromotor, geladen.
Allerdings ist hierbei zu berücksichtigen, dass eine hierfür vorgesehene Ladezeit auf eine Fahrtzeit von durchschnittlich zwanzig bis dreißig Minuten begrenzt sein kann, wohingegen eine für eine Volladung erforderliche Fahrtzeit je nach Ladezustand drei bis vier Stunden betragen kann. Ergänzend ist zu berücksichtigen, dass, durch das Energiemanagement des Kraftfahrzeugs bedingt, der Ladezustand gezielt auf einem Wert, der geringer als 100 % ist, gehalten wird. Weiterhin ist es je nach Nutzung des Kraftfahrzeugs, z. B. als Taxi, möglich, dass sich über einen vergleichsweise langen Zeitraum keine Ruhephase ergibt, in der eine Ru- hespannung der Batterie bestimmt werden kann. In solch einem Fall kann durch eine im Rahmen des Verfahrens vorgesehene zusätzliche Möglichkeit einer Re- kalibrierung des Ladezustands eine Verfügbarkeit und Genauigkeit des zu bestimmenden Ladezustands erhöht werden.
Bei einer Umsetzung des Verfahrens zum Bestimmen des Ladezustands des elektrischen Energiespeichers während des Ladevorgangs können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden. Während des Ladevorgangs kann zumindest ein Wert für mindestens eine relevante Messgröße und/oder mindestens einen rele- vanten Betriebsparameter der Batterie als mindestens ein Eingangsparameter er- fasst werden. So ist es möglich, eine Ladesituation anhand eines durch die Batterie fließenden Batteriestroms Ibatt und/oder einer an der Batterie anliegenden Batteriespannung Ubatt als mindestens ein Eingangsparameter zu erkennen. Bei einer möglichen Durchführung des Verfahrens ermittelte Eingangsdaten für
Werte der mindestens einen erfassten Messgröße und/oder des mindestens einen erfassten Betriebsparameters können auf einen Gültigkeitsbereich sowie auf Konsistenz überprüft werden. Der Ladezustand kann anhand der Eingangsdaten für die Werte der mindestens einen erfassten Messgröße und/oder des mindes- tens einen erfassten Betriebsparameters über ein Kennfeld, bspw. durch Vergleich und/oder Berechnung, bestimmt werden.
In einem ersten Schritt einer Ausführungsform des Verfahrens kann ein Erkennen der Ladesituation der Batterie anhand des Batteriestroms Ibatt und/oder der Batteriespannung Ubatt als Betriebsparameter durchgeführt werden. Hierbei können Istwerte für diese elektrischen Betriebsparameter mit hierfür für den Ladevorgang vorgesehenen Schwellwerten Ibattjoad für den Batteriestrom und Ubattjoad für die Batteriespannung verglichen werden. Falls Ubatt > Ubattjoad und Ibatt > Ibattjoad, wird erkannt, dass die Batterie geladen wird. Hierfür kön- nen Eingangssignale für Istwerte der elektrischen Betriebsparameter vorgefiltert werden, um unerwünschte Störungen zu vermeiden.
Eine Erfassung relevanter Messgrößen und Batterieparameter wird in einem zweiten Schritt des Verfahrens während des Ladevorgangs durchgeführt. Für die Bestimmung eines Ladezustands der Batterie wird während des Ladevorgangs eine sogenannte Ladeakzeptanz der Batterie, d. h. deren Fähigkeit elektrische Energie aufzunehmen und somit mit elektrischer Energie geladen zu werden, ermittelt. Da die Ladeakzeptanz in der Regel von Betriebsparametern, wie einer beim Ladevorgang anliegenden Spannung, die auch als Batteriespannung oder Ladespannung bezeichnet werden kann, der Temperatur und dem Ladezustand der Batterie abhängig ist, kann durch Bestimmung der Ladeakzeptanz und aller relevanten Betriebs- und/oder Umgebungsparameter wiederum der Ladezustand ermittelt werden.
Zu einer möglichen Umsetzung des Verfahrens können bspw. in einem Experi- ment alle für den Ladevorgang relevanten Eingangsparameter, die die Betriebsund/oder Umgebungsparameter umfassen, ermittelt und ein zugehöriges Kennfeld für den Ladezustand in Abhängigkeit dieser Eingangsparameter bestimmt werden. Als Werte für Eingangsparameter können ein Wert für ein erstes Stromintegral
Q5 über den Batteriesstrom Ibatt, der während der letzten 5 Minuten geflossen ist, ein Wert für ein zweites Stromintegral Q10 über den Batteriesstrom Ibatt, der während der letzten 10 Minuten geflossen ist, ein Wert für ein drittes Stromintegral Q15 über den Batteriesstrom Ibatt, der während der letzten 15 Minuten ge- flössen ist, zumindest ein Wert für die Ladespannung, die hier der Batteriespannung Ubatt entspricht, zumindest ein Wert für eine Temperatur Tbatt der Batterie und zumindest ein Wert für eine Nennkapazität C20 der Batterie verwendet werden. Mit den Werten der Stromintegrale Q5, Q10, Q15 kann die Ladeakzeptanz der
Batterie beschrieben werden. Es ist jedoch möglich, die Ladeakzeptanz alternativ oder ergänzend durch verschiedene Eingangsparameter auszudrücken, zum Beispiel durch Werte des beim Ladevorgang durch die Batterie fließenden Batteriestroms Ibatt, wobei die hierfür vorgesehenen Werte zu verschiedenen be- stimmten Zeitpunkten ermittelt werden können.
Bei einer Variante des Verfahrens werden die Werte der genannten Stromintegrale Q5, Q10, Q15 statt des Batteriestroms Ibatt verwendet, da sich dieser im Kraftfahrzeug ggf. transient bzw. instationär verhalten und demnach Schwankun- gen unterworfen sein kann, so dass der Ladezustand vergleichsweise ungenau bestimmt werden kann. Allerdings ist es möglich, den Batteriestrom Ibatt wäh- rend mehrerer Zeitintervalle zu messen und für jedes Zeitintervall als Wert einen Mittelwert des Batteriestroms Ibatt zu bestimmen. Durch Vorsehen einer Integralbildung zum Bereitstellen der Werte für die Stromintegrale Q5, Q10, Q15 kann eine gute Filterung für die zu verwendenden Eingangsparameter erzielt werden.
Ein Prüfen von Eingangsdaten als Werte für die Eingangsparameter auf deren Gültigkeitsbereich und deren Konsistenz und somit auf deren Plausibilität wird in einem dritten Schritt durchgeführt. Hierbei wird geprüft, ob die Werte der Eingangsparameter über einen vorgesehenen Messzeitraum innerhalb der Gültigkeit des Kennfelds liegen und/oder ausreichend stabil, bspw. stetig, sind, um für den zu bestimmenden Ladezustand ein akzeptables Ergebnis ermitteln zu können. Dazu werden Wertebereiche sowie minimale und maximale Werte der Eingangsparameter geprüft. Falls Wertebereiche sowie minimale und maximale Werte der Eingangsparameter innerhalb vorgegebener Schwellwerte liegen, kann der La- dezustand berechnet werden.
Das Ermitteln des Ladezustands kann im vierten Schritt des Verfahrens anhand der Eingangsparameter über ein Kennfeld durchgeführt werden. Hierbei wird ein mehrdimensionales Kennfeld, das auf empirisch ermittelten Werten von Eingangsparametern basiert, verwendet. In einem einfachen Fall kann das Kennfeld durch eine lineare Regression über die ermittelten und/oder berechneten Werte der Eingangsparameter bereitgestellt werden, was in der Regel ressourcenfreundlich durchgeführt werden kann. Je nach Anforderung können aber auch nichtlineare Ansätze zum Bestimmen des Kennfelds eingesetzt werden.
Mit dem Kennfeld können verschiedene, von unterschiedlichen Werten von Eingangsparametern abhängige Werte des Ladezustands (SOC) ermittelt werden. Ein Zusammenhang eines Werts des Ladezustands (SOC) kann durch nachfolgende Regressionsgleichung (1 ) dargestellt werden:
SOC = d + c2*Ubatt + c3*Tbatt + c4*C20nom + c5*Uc0max + c6*C0 +c7*Q5 + c8*Q10 + c9*Q15 (1 )
Dabei sind c1 , c2, c3, c4, c5 ,c6, c7, c8 und c9 Regressionskoeffizienten, die anhand von Messdaten und/oder gemessenen Werten Ubatt, Tbatt, C20nom, UcOmax, CO, Q5, Q10 und Q15 der nachfolgend beschriebenen Eingangspara- meter unter Verwendung eines Least-Square Verfahrens bestimmt werden. Mit den Regressionskoeffizienten c1 , c2, c3, c4, c5 ,c6, c7, c8 und c9, in der Regel ci, können die Werte Ubatt, Tbatt, C20nom, UcOmax, CO, Q5, Q10 und Q15 skaliert werden.
Ubatt ist ein gemessener Wert der Batteriespannung in Volt (V), die hier einer Ladespannung entspricht. Tbatt ist ein gemessener Wert der Temperatur der Batterie in Kelvin (K). C20nom ist ein nominaler Wert der Nennkapazität C20 der Batterie in Amperestunden (Ah). UcOmax ist ein Wert für eine maximale Ruhespannung der Batterie in Volt. CO ist ein Wert für eine Ersatzkapazität der Batteriesäure der Batterie und wird in Farad (F) angegeben. Q5, Q10 und Q15 bezeichnen Werte für Stromintegrale über einen Strom Ibatt der Batterie, wobei Q5 dem Wert eines Stromintegrals für einen Strom, der fünf Minuten lang geflossen ist, Q10 dem Wert eines Stromintegrals für einen Strom, der zehn Minuten lang geflossen ist, und Q15 dem Wert eines Stromintegrals für einen Strom, der fünfzehn Minuten lang geflossen ist, entspricht, die Werte für die Stromintegrale werden in Amperesekunden (As) angegeben.
In der genannten Regressionsgleichung (1 ) sind hier lediglich lineare Terme (c*x) eines Werts x für einen Eingangsparameter enthalten. Als mögliche Erweiterung sind auch Terme höherer Ordnung, z. B. zweiter Ordnung (ci*x2) und somit dem Quadrat eines Werts x für einen Eingangsparameter und/oder n-ter Ordnung bzw. n-ter Potenz (ci*xn) für den Wert x eines Eingangsparameters möglich. Weiterhin können mit der Regressionsgleichung (1 ) Wechselwirkungen von Werten x und y unterschiedlicher Eingangsparameter, z. B. (ci*x*y), verwendet werden. Üblicherweise können auch beliebige andere Methoden zur Approximation des Kennfelds, z. B. neuronale Netze oder Splines, verwendet werden.
In der Regressionsgleichung (1 ) sind alle signifikanten Betriebsparameter, die als Eingangsgrößen zu verwenden sind, erfasst. Die Regressionsgleichung (1 ) kann durch Werte für zusätzliche Eingangsparameter ergänzt werden, die über Regressionskoeffizienten ci skaliert werden.
Die Eingangsparameter werden mit der Regressionsgleichung (1 ) zur Bereitstellung des Kennfelds miteinander verknüpft. Mit der Regressionsgleichung (1 ), die zur Berechnung des Ladezustands verwendet wird, werden mit den Regressi- onskoeffizienten ci auch eine Regressionsabhängigkeit sowie Gewichtungsfaktoren für die einzelnen Werte der Eingangsparameter berücksichtigt.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform der vorgestellten Anordnung, die zur Durchführung einer Ausführungsform des beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist.
Figur 2 zeigt ein Diagramm zur Durchführung der Ausführungsform des beschriebenen Verfahrens.
Ausführungsform der Erfindung
Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer Anordnung 2, die zum Bestimmen eines Ladezustands eines hier als Batterie 4 ausgebildeten elektrischen Energiespeichers ausgebildet ist. Bei einer Umsetzung des Verfahrens zum Bestimmen des Ladezustands ist vorgesehen, dass für die Batterie 4 ein Ladevorgang durchgeführt wird. Hierbei werden Pole der Batterie 4 über Versorgungsleitungen 6, 8 mit einer elektrischen Energiequelle verbunden.
Die Anordnung 2 umfasst ein Steuergerät 10 und ein elektrisches Messgerät 12. Zum Bestimmen des Ladezustands wird hier als mindestens ein elektrischer Eingangsparameter zumindest ein Wert eines durch die Batterie 4 fließenden Batte- riestroms Ibatt, einer an der Batterie 4 anliegenden Batteriespannung Ubatt und/oder einer Temperatur Tbatt der Batterie mit dem elektrischen Messgerät 12 sensorisch ermittelt, wobei das Messgerät 12, wie in Figur 1 angedeutet, über hier gestrichelt dargestellte Messleitungen mit mindestens einem Pol der Batterie 4 und/oder mindestens einer Versorgungsleitung 6, 8 zu verbinden ist. Dabei ist in Figur 1 eine Messung des Batteriestroms Ibatt nicht explizit dargestellt. In der dargestellten Ausführungsform fließt der Batteriestrom Ibatt durch das Messgerät 12, bspw. durch einen im Messgerät 12 angeordneten Shunt (Messwiderstand). Es ist alternativ auch möglich, dass der durch das Messgerät 12 fließende Batteriestrom Ibatt in dem Messgerät 12 induktiv gemessen wird. Hierbei ermittelte Werte für Eingangsparameter werden zur weiteren Auswertung, d. h. zum Bestimmen des Ladezustands, an das Steuergerät 10 übermittelt und von diesem ausgewertet.
Einzelne Schritte 14, 16, 18, 20 zur Durchführung des Verfahrens mit der hier gezeigten Ausführungsform der Anordnung 2 sind in dem Diagramm aus Figur 2 gezeigt.
Dabei wird in einem ersten Schritt 14 eine Ladesituation der Batterie 4 anhand zumindest eines Werts von mindestens einem Eingangsparameter, hier dem Strom integral, sowie anhand der Batteriespannung Ubatt und/oder einer Temperatur Tbatt der Batterie 4 während des Ladevorgangs bestimmt. Hierzu wird u. a. überprüft, inwiefern ein Wert des mindestens einen Eingangsparameters größer oder kleiner als ein hierfür vorgesehener Schwellwert ist.
In einem zweiten Schritt 16 wird während des Ladevorgangs der zumindest eine Wert des mindestens einen Eingangsparameters, in der Regel mindestens ein Umgebungsparameter und/oder mindestens ein Betriebsparameter der Batterie 4, von dem elektrischen Messgerät 12 durch Messung erfasst.
In einem dritten Schritt 18 wird der zumindest eine Wert des mindestens einen Eingangsparameters auf Vorliegen von Plausibilität, bspw. auf Vorliegen von Gültigkeit und Konsistenz, überprüft.
In einem abschließenden, vierten Schritt 20 des Verfahrens wird ein eigentliches Bestimmen des Ladezustands der Batterie 4 durchgeführt, wenn diese bei dem Ladevorgang mit elektrischer Energie geladen wird. Hierbei wird der Ladezustand anhand von zumindest einem Wert für ein Stromintegral als mindestens ein Eingangsparameter und zumindest einem Wert für mindestens einen weiteren er- fassten Eingangsparameter über ein Kennfeld bestimmt.
Dabei kann das Kennfeld über eine Regressionsgleichung in Abhängigkeit von dem zumindest einen Wert des mindestens einen Eingangsparameters vorab experimentell bestimmt werden. Außerdem ist vorgesehen, dass das Kennfeld in dem Steuergerät 10 gespeichert wird. Die hierbei verwendete Regressionsglei- chung stellt eine Abhängigkeit des Ladezustands von Werten der Eingangsparameter dar.
Folglich wird als der mindestens eine Eingangsparameter das Stromintegral des Batteriestroms Ibatt der Batterie 4 verwendet, wobei zumindest ein Wert des Stromintegrals auf Grundlage mindestens eines während des Ladevorgangs gemessenen Eingangsparameters berechnet wird. Der zumindest eine Wert des Stromintegrals wird hier für zumindest ein Zeitintervall während des zumindest einen Zeitintervalls ermittelt. Als mindestens ein weiterer Eingangsparameter wird die Batteriespannung und/oder eine Temperatur der Batterie 4 verwendet. Es ist auch möglich, als mindestens einen zusätzlichen weiteren Eingangsparameter eine elektrische Kapazität der Batterie 4 und/oder eine Ruhespannung der Batterie zu verwenden. Außerdem ist es möglich, weitere Betriebsparameter der Batterie als Eingangsparameter zu verwenden. Dabei können Werte der Eingangsparameter, d. h. zumindest ein Wert des Stromintegrals und zumindest ein Wert des mindestens einen weiteren Eingangsparameters miteinander verknüpft werden. Zudem kann eine Regressionsabhängigkeit von Werten des mindestens einen Eingangsparameters untereinander verwendet werden. Alternativ oder ergänzend ist möglich, einen Gewichtungsfaktor für einen linearen Zusammenhang von zumindest einem Wert des mindestens einen Eingangsparameters zu verwenden.
Üblicherweise wird zumindest ein Wert des Stromintegrals durch Integration des sensorisch erfassten Batteriestroms Ibatt über die Zeit ermittelt. Dabei ist es möglich für unterschiedliche Zeitintervalle, in der Regel für unterschiedlich lange Zeitintervalle, verschiedene Werte für das Stromintegral zum Bestimmen des Ladezustands zu verwenden. Üblicherweise können die Zeitintervalle, während de- rer Werte für das Stromintegral bestimmt werden, am Start des Ladevorgangs beginnen und unterschiedlich lang sein. In Ausgestaltung können n Werte des Stromintegrals für n unterschiedliche Zeitintervalle bestimmt werden. Über einen Wert eines Stromintegrals, der während eines Zeitintervalls ermittelt wird, wird ein Wert für die Ladung bereitgestellt, die während dieses Zeitintervalls in die Batterie 4 geflossen ist.
Die Batterie 4, für die im Rahmen des Verfahrens der Ladezustand bestimmt wird, kann als Starterbatterie eines Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Dabei kann es sich bei der Batterie 4 um einen Blei-Säure-Akkumulator handeln. Alternativ kann das Verfahren auch für eine Batterie 4 durchgeführt werden, die als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgebildet ist.
Durch Überwachung von zumindest einem Wert für das Stromintegral auf Grundlage eines geflossenen Batteriestroms Ibatt kann auch festgestellt werden, wann die Batterie 4 vollständig geladen ist. Es ist bspw. im Fall von einer als Lithium- Ionen-Akkumulator ausgebildeten Batterie 4 möglich, den Ladezustand SOC während des Ladevorgangs über zumindest einen Wert des Stromintegrals abzuschätzen, da hier nur geringe Verluste zu erwarten sind. Mit dem Verfahren kann bereits nach einem kurzen Zeitintervall von bspw. 15 Minuten nach Beginn des Ladevorgangs der Ladezustand auf Basis von zumindest einem Wert des Stromintegrals und zumindest einem Wert des mindestens einen weiteren Eingangsparameters ohne zusätzliche Integration bestimmt werden.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands eines elektrischen Energiespeichers, wenn dieser elektrische Energiespeicher bei einem Ladevorgang mit elektrischer Energie geladen wird, bei dem der Ladezustand anhand von zumindest einem Wert für ein Stromintegral als mindestens ein Eingangsparameter und zumindest einem Wert für mindestens einen weiteren Eingangsparameter über ein Kennfeld bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem eine Ladesituation des elektrischen Energiespeichers anhand mindestens eines Eingangsparameters während des Ladevorgangs, bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zumindest ein Wert des mindestens einen Eingangsparameters während des Ladevorgangs erfasst und auf Plausibilität überprüft wird.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem als der mindestens eine weitere Eingangsparameter eine Temperatur der Batterie verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem als der mindestens eine weitere Eingangsparameter eine Batteriespannung verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem der zumindest eine Wert des Stromintegrals für mindestens ein Zeitintervall während des mindestens einen Zeitintervalls ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem das Kennfeld in Abhängigkeit von dem mindestens einen Eingangsparameter experimentell bestimmt wird.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, das für einen als Blei-Säure-Akkumulator ausgebildeten elektrischen Energiespeicher durchgeführt wird.
9. Anordnung zum Bestimmen eines Ladezustands eines elektrischen Energiespeichers, wenn dieser elektrische Energiespeicher bei einem Ladevorgang mit elektrischer Energie geladen wird, wobei die Anordnung (2) ein Steuergerät (10) aufweist, das dazu ausgebildet ist, den Ladezustand anhand von zumindest einem Wert für ein Stromintegral als mindestens ein Eingangsparameter und zumindest einem Wert für mindestens einen weiteren Eingangsparameter über ein Kennfeld zu bestimmen.
10. Anordnung nach Anspruch 9, die mindestens ein elektrisches Messgerät (12) zum Erfassen des mindestens einen Eingangsparameters aufweist.
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