DE102009058893A1

DE102009058893A1 - Verfahren zur Überwachung eines Batterieladezustands

Info

Publication number: DE102009058893A1
Application number: DE102009058893A
Authority: DE
Inventors: Jens Dr.-Ing. Cierullies
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2009-12-18
Publication date: 2010-07-29

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Ladezustands einer aufladbaren Batterie, insbesondere in einem Fahrzeug, bei dem ein mit dem Ladezustand korrelierter Ladezustandswert mittels Stromintegration ermittelt wird und bei dem mittels Batterieparametern ein Maximalwert zur Begrenzung des ermittelten Ladezustandswerts nach oben und/oder ein Minimalwert zur Begrenzung des ermittelten Ladezustandswerts nach unten und/oder ein Referenzwert zum Rücksetzen des Ladezustandswerts ermittelt wird/werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Ladezustands einer aufladbaren Batterie, insbesondere in einem Fahrzeug.
Die Kenntnis des aktuellen Batterieladezustands ist insbesondere bei modernen Kraftfahrzeugen, die mit einer Vielzahl elektrischer Komponenten ausgestattet sind, von erhöhter Bedeutung. Dies trifft sowohl für konventionelle, mit einer Brennkraftmaschine ausgestattete Kraftfahrzeuge, als auch für Elektrofahrzeuge sowie für Hybrid-Fahrzeuge zu.
Der Batterieladezustand kann beispielsweise durch Bestimmen der Säuredichte ermittelt werden, was über entsprechende Referenzelektroden an bzw. in der jeweiligen Batterie realisierbar ist. Ein derartiges Verfahren ist jedoch vergleichsweise aufwändig. Ebenso ist es grundsätzlich möglich, spezielle elektrische Pulse zur Beaufschlagung der Batterie zu erzeugen, wobei die Reaktion der Batterie dann einen Aufschluss über deren aktuellen Ladezustand ermöglicht. Allerdings lassen sich derartige Pulse innerhalb eines Fahrzeugs nur schwer erzeugen. Des Weiteren ist es grundsätzlich bekannt, den aktuellen Ladezustand mit Hilfe einer Stromintegration zu ermitteln, bei welcher der von der Batterie abgegebene Strom permanent über die Zeit integriert wird. Die Stromintegration birgt jedoch den Nachteil, dass auftretende Fehler akkumuliert werden. Eine zuverlässige Stromintegration kann mit vergleichsweise hohem Aufwand dadurch realisiert werden, dass die Integration mit Hilfe eines Startwerts initialisiert wird, der selbst über ein anderes geeignetes Verfahren erst ermittelt werden muss. Ferner ergibt sich durch die Ungenauigkeit der Strommessung eine Drift über die Zeit, die ebenfalls ausgeglichen werden muss. Zum Ausgleichen dieser Drift der Stromintegration sind jedoch wieder definierte Zustände der Batterie erforderlich, die beispielsweise in einem Fahrzeug nur vergleichsweise selten vorkommen.
Aus der DE 10 2008 036 159 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen des Ladezustands der Batterie bekannt, bei dem ein aktueller Wert einer Batteriespannung und eines aktuellen Werts eines Batteriestroms erfasst werden, bei dem ein aktueller Wert eines dynamischen Innenwiderstands der Batterie ermittelt wird, bei dem ein Wert einer für einen vordefinierten Wert eines Entladestroms der Batterie an dem dynamischen Innenwiderstand abfallenden Spannung in Abhängigkeit wenigstens des aktuellen Werts des Batteriestroms ermittelt wird, bei dem ein Wert einer Polarisationsspannung der Batterie ermittelt wird, bei dem ein Wert einer Prädiktionsspannung für den vordefinierten Wert des Entladestroms der Batterie in Abhängigkeit wenigstens des aktuellen Werts der Batteriespannung, des Werts der Polarisationsspannung und des Werts der an dem dynamischen Innenwiderstand abfallenden Spannung berechnet wird, bei dem ein Wert einer einer Ruhespannung der Batterie in einem elektrisch unbelasteten Zustand entsprechenden Quasi-Ruhespannung in Abhängigkeit wenigstens des Werts der Prädiktionsspannung ermittelt wird und bei dem der Ladezustand der Batterie in Abhängigkeit des Werts der Quasi-Ruhespannung bestimmt wird. Das bekannte Verfahren ist vergleichsweise aufwändig zu realisieren.
Aus der DE 199 60 761 C1 ist ein weiteres Verfahren zur Überwachung der Restladung und der Leistungsfähigkeit einer belasteten Batterie in einem Batterienetz mit einem Grenzspannungsniveau und einem Mindeststrom bekannt, bei dem zumindest zu einem ersten Zeitpunkt mindestens eine erste Strom-Spannungs-Messung bei einem ersten Belastungszustand der Batterie durchgeführt und mindestens ein erster Messpunkt ermittelt wird, bei dem zumindest zu einem zweiten Zeitpunkt mindestens eine zweite Strom-Spannungs-Messung bei einem zweiten Belastungszustand der Batterie durchgeführt und mindestens ein zweiter Messpunkt ermittelt wird, bei dem die Messpunkte jeweils bei einem Belastungszustand der Batterie, der größer als 30% der Nennkapazität pro Stunde ist, ermittelt werden, bei dem durch die Messpunkte eine Ausgleichskurve gelegt wird und deren Schnittpunkt mit dem Grenzspannungsniveau ermittelt wird und der zugehörige Grenzstrom ermittelt wird und bei dem durch Differenzbildung zwischen dem Grenzstrom und dem Mindeststrom eine Grenzstromreserve als Maß für die in der Batterie verfügbare Restladung ermittelt wird. Auch dieses bekannte Verfahren ist nur in Verbindung mit einem vergleichsweise hohen Aufwand realisierbar.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Verfahren zur Überwachung des Batterieladezustands eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine vergleichsweise einfache Realisierbarkeit auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Ladezustand grundsätzlich auf Basis einer Stromintegration zu ermitteln, wobei der dadurch ermittelte Ladezustandswert in Abhängigkeit zusätzlicher Batterieparameter nach oben und/oder nach unten abgeschätzt wird. Mit anderen Worten, mit Hilfe zusätzlicher Batterieparameter können Extremwerte, also Maximalwerte und/oder Minimalwerte, ermittelt werden, mit deren Hilfe der ermittelte Ladezustandswert begrenzt werden kann, nämlich durch einen Maximalwert nach oben bzw. durch einen Minimalwert nach unten. Ferner schlägt die Erfindung zusätzlich oder alternativ vor, mittels zusätzlicher Batterieparameter zumindest einen Referenzwert zu bestimmen, mit dessen Hilfe der Ladezustandswert zurückgesetzt bzw. abgeglichen werden kann. Die Erfindung nutzt somit das relativ einfach handhabbare und insbesondere preiswert realisierbare Integrationsverfahren zur Ermittlung eines Ausgangswerts oder Schätzwerts für den Ladezustand der Fahrzeugbatterie. Der mit dem Ladezustand korrelierte Ladezustandswert kann dann mittels einfacher Maßnahmen nach oben und/oder nach unten begrenzt werden, derart, dass der Ladezustandswert nicht größer als ein abgeschätzter Maximalwert sein kann bzw. nicht kleiner als ein abgeschätzter Minimalwert sein kann. Zusätzlich oder alternativ werden weitere Batterieparameter überwacht, welche die Ermittlung eines Referenzwerts erlauben, der zum Abgleichen, Rücksetzen oder Justieren des mit der Stromintegration ermittelten Ladezustandswerts ermöglicht. Hierdurch können während des Betriebs des Fahrzeugs auftretende, die Bestimmung eines (genauen) Referenzwerts ermöglichende Betriebszustände zum Ermitteln eines derartigen Referenzwerts ausgenutzt werden, um den mit Hilfe der Stromintegration ermittelten (ungenauen oder geschätzten) Ladezustandswert immer wieder abgleichen zu können. Auf diese Weise kann eine Drift der Stromintegration bzw. eine Akkumulation von Messfehlern signifikant reduziert bzw. immer wieder zurückgesetzt werden.
Besonders vorteilhaft lassen sich die Maximalwerte bzw. die Minimalwerte bzw. die Referenzwerte anhand von Kennlinien bzw. mit Hilfe von Kennfeldern ermitteln, die zumindest einen Batterieparameter mit dem Ladezustand der Batterie in Beziehung setzen. Derartige Kennfelder bzw. Kennlinien lassen sich in Feldversuchen vergleichsweise einfach aufstellen und ermöglichen ein einfaches und rasches Zuordnen entsprechender Ausgangswerte abhängig von den jeweiligen Eingangswerten. Kennfeldbasierte Einrichtungen sind im Fahrzeugbau weit verbreitet und zeichnen sich in der Praxis durch eine einfache Realisierbarkeit und hohe Ausfallsicherheit aus.
Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann ein dynamischer Innenwiderstand der Batterie ermittelt werden, wobei dann der Ladezustandswert der Batterie nach oben durch besagten Maximalwert begrenzt wird, wenn der ermittelte dynamische Innenwiderstand der Batterie oberhalb eines vorbestimmten Grenzwerts liegt. Dabei kann grundsätzlich vorgesehen sein, dass der Maximalwert abhängig von der Batterietemperatur bestimmt wird. Beispielsweise kann ein entsprechendes Kennfeld zur Bestimmung des Maximalwerts eine Kennlinienschar für verschiedene Batterietemperaturen enthalten. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, den Grenzwert, der die Berücksichtigung des Maximalwerts bestimmt, abhängig von der Batterietemperatur zu bestimmen. Insbesondere kann auch hier die Abhängigkeit des Grenzwerts von der Batterietemperatur kennfeldbasiert hinterlegt sein.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann während eines Ladevorgangs der Batterie ein Ladewiderstand ermittelt werden. Der Ladezustandswert der Batterie kann nach unten durch den Minimalwert begrenzt werden, wenn der ermittelte Ladewiderstand oberhalb eines vorbestimmten Grenzwerts liegt. Auch hier kann optional vorgesehen sein, den Minimalwert und/oder den Grenzwert abhängig von der Batterietemperatur zu bestimmen, was durch entsprechende, temperaturabhängige Kennlinienscharen bzw. temperaturabhängige Kennlinien realisierbar ist.
Die Abschätzung des Ladezustandswert mit Hilfe des Minimalwerts kann zusätzlich an die Bedingung geknüpft sein, dass der Ladevorgang für einen längeren Zeitraum vorliegt. Beispielsweise kann eine entsprechende Steuerung die Dauer des Ladevorgangs überwachen und die entsprechende Abschätzung des Ladezustandswerts mit Hilfe des Minimalwerts nur dann durchführen, wenn der Ladevorgang zumindest für eine vorbestimmte Zeitdauer anhält und wenn außerdem der ermittelte Ladewiderstand oberhalb des genannten vorbestimmten Grenzwerts liegt.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, während eines konstanten Entladevorgangs der Batterie mittels eines Spannungsabfalls eine Quasi-Ruhespannung zu ermitteln. Mit Hilfe dieser Quasi-Ruhespannung kann nun besonders einfach ein Referenzwert für den Ladezustand ermittelt werden, auf den der Ladezustandswert, der mit Hilfe der Stromintegration berechnet wird, zurückgesetzt wird. Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Spannungsabfall abhängig von der aktuellen Batterietemperatur ermittelt wird. Hierzu können wieder Kennfelder vorgesehen sein, welche den Zusammenhang zwischen Spannungsabfall und Entladestrom mit einer entsprechenden Schar an Kennlinien, die unterschiedlichen Batterietemperaturen zugeordnet sind, wiedergeben.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend 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.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch
1 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Überwachung eines Batterieladezustands,
2 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Kennfelds zur Bestimmung eines Maximalwerts,
3 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Kennfelds zur Bestimmung eines Minimalwerts,
4 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Kennfelds zur Bestimmung eines Spannungsabfalls,
5 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Kennlinie zur Bestimmung eines Referenzwerts.
Entsprechend 1 basiert ein hier vorgestelltes Verfahren zur Überwachung des Ladezustands einer aufladbaren Batterie, die sich insbesondere in einem Fahrzeug befindet, auf dem Prinzip der Stromintegration, was in 1 durch ein F repräsentiert ist, das innerhalb eines Integrators 1 dargestellt ist. Der Integrator 1 ermittelt mit Hilfe der Stromintegration Σ einen mit dem Ladezustand der Batterie korrelierten Ladezustandswert SOC (State of Charge). Der mit Hilfe der Stromintegration vergleichsweise unzuverlässige Ladezustandswert SOC wird mit Hilfe von Eingriffsgliedern 2, 3 und 4 abgeschätzt bzw. zurückgesetzt bzw. justiert. Beispielsweise ermöglicht ein erstes Eingriffsglied 2 die Ermittlung eines Maximalwerts MAX, mit dem der ermittelte Ladezustandswert SOC nach oben begrenzt werden kann. Die Ermittlung des Maximalwerts MAX erfolgt dabei mittels bestimmter Batterieparameter. Ein zweites Eingriffsglied 3 ermittelt einen Minimalwert MIN auf Basis wenigstens eines Batterieparameters, wobei mit Hilfe des Minimalwerts MIN der ermittelte Ladezustandswert SOC nach unten begrenzt werden kann. Ein drittes Eingriffsglied 4 ermöglicht die Ermittlung eines Referenzwerts Reset, mit dessen Hilfe der ermittelte Ladezustandswert SOC zurückgesetzt werden kann. Auch der Referenzwert Reset wird mittels wenigstens eines Batterieparameters bestimmt.
Entsprechend den 2 bis 5 erfolgt die Ermittlung des Maximalwerts MAX, des Minimalwerts MIN und des Referenzwerts Reset auf der Basis von Kennlinien bzw. mit Hilfe von Kennfeldern.
Beispielsweise zeigt 2 ein Kennfeld 5 mit mehreren Kennlinien 6, wobei jede Kennlinie 6 die Abhängigkeit des Ladezustandswerts SOC vom dynamischen Innenwiderstand Rdi der Batterie widerspiegelt, wobei die verschiedenen Kennlinien 6 unterschiedlichen Temperaturen T der Batterie zugeordnet sind. Ferner ist jeder Kennlinie 6 ein Maximalwert MAX zugeordnet, so dass letztlich abhängig vom dynamischen Innenwiderstand Rdi der Batterie sowie abhängig von der Batterietemperatur T ein Maximalwert MAX aus dem Kennfeld 5 ermittelt werden kann.
In 2 ist außerdem ein Grenzwert 12 eingetragen, der vom ersten Eingriffsglied 2 berücksichtigt wird, derart, dass der Maximalwert MAX nur dann gesetzt wird, wenn der dynamische Innenwiderstand Rdi oberhalb des genannten Grenzwerts 12 liegt. Auch dieser Grenzwert 12 kann von der Batterietemperatur T abhängen. Im Kennfeld 5 der 2 verläuft der Grenzwert 12 parallel zur Abszisse.
3 zeigt dagegen ein Kennfeld 7 mit mehreren Kennlinien 8, wobei jede Kennlinie 8 einen Zusammenhang zwischen einem Ladewiderstand Rlad und dem Ladezustandswert SOC der Batterie widerspiegelt. Die verschiedenen Kennlinien 8 sind dabei unterschiedlichen Batterietemperaturen T zugeordnet. Ebenso ist diesen Kennlinien 8 jeweils ein Minimalwert MIN zugeordnet. Insoweit lassen sich mit Hilfe des Kennfelds 7 abhängig von der Batterietemperatur und abhängig vom Ladewiderstand Riad unterschiedliche Minimalwerte MIN zuordnen. Um einen zuverlässigen Ladewiderstand Riad ermitteln zu können, kann es zweckmäßig sein, zusätzlich die Dauer des jeweiligen Ladevorgangs zu überwachen. Beispielsweise kann das zweite Eingriffsglied 3 nur dann den Minimalwert MIN berücksichtigen, wenn der Ladevorgang eine vorgegebene Mindestzeit andauert.
Die Begrenzung des Ladezustandswerts SOC mit Hilfe des Maximalwerts MAX nach oben bedeutet, dass für den Ladezustandswert SOC eine Abschätzung vorgenommen wird, derart, dass der mit dem aktuellen Ladezustand korrelierte Ladezustandswert SOC maximal den Maximalwert MAX annehmen kann. Im Unterschied dazu bedeutet die Begrenzung des Ladezustandswerts SOC mit Hilfe des Minimalwerts MIN nach unten, dass eine Abschätzung des Ladezustandswerts SOC dahingehend durchgeführt wird, dass der mit dem aktuellen Ladezustand korrelierte Ladezustandswert SOC mindestens so groß ist wie der Minimalwert MIN.
In 3 ist außerdem ein Grenzwert 13 wiedergegeben, der vom zweiten Eingriffsglied 13 berücksichtigt werden kann, insbesondere derart, dass der Minimalwert MIN nur dann gesetzt wird, wenn der Ladewiderstand Riad oberhalb dieses Grenzwerts 13 liegt. Dabei kann auch hier vorgesehen sein, dass der Grenzwert 13 von der Batterietemperatur 13 abhängt. In 3 verläuft der Grenzwert 13 geneigt gegenüber der Abszisse.
4 zeigt ein weiteres Kennfeld 9, das mehrere Kennlinien 10 enthält, die jeweils eine Abhängigkeit eines Spannungsabfalls ΔU vom Entladestrom IBatt wiedergeben. Dabei ist den verschiedenen Kennlinien 10 jeweils eine andere Temperatur T der Batterie zugeordnet, so dass auch hier der Spannungsabfall ΔU abhängig von der Batterietemperatur T aus dem Entladestrom IBatt ermittelt werden kann.
5 zeigt eine Kennlinie 11, die den Zusammenhang zwischen einer Quasi-Ruhespannung U0 und dem Referenzwert für den Ladezustand REF-SOC wiedergibt. Mit Hilfe dieser Kennlinie 11 kann ausgehend von der aktuellen Batteriespannung UBatt in Verbindung mit dem Spannungsabfall ΔU die Quasi-Ruhespannung U0 der Batterie ermittelt werden, die über die Kennlinie 11 zum Referenzwert des Ladezustands REF-SOC führt, der dem Referenzwert Reset der 1 entspricht. Mit Hilfe dieses Referenzwerts REF-SOC bzw. Reset kann nun der mit Hilfe der Stromintegration F ermittelte und durch die Extremwerte MAX und MIN begrenzte Ladezustandswert SOC auf einen verlässlichen Ausgangswert oder Initialwert zurückgesetzt werden. Hierdurch lassen sich bei der Stromintegration F durch Messfehler auftretende Fehlerakkumulationen, die im Verlaufe der Zeit zu einer Drift des Ladezustandswerts führen, ausgleichen.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Kennlinie 11 um eine Entladekennlinie. Entladekennlinien sind für die Bestimmung des SOC wichtiger, da ein Entladevorgang für den weiteren Betrieb des Fahrzeugs kritischer ist als ein Ladevorgang. Um mögliche Hysterese Effekte zwischen Entladekennlinien und Ladekennlinien auszuschließen, nimmt man deshalb für diese Erfindung vorzugsweise Entladekennlinien.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102008036159 A1 [0004]
- DE 19960761 C1 [0005]

Claims

Verfahren zur Überwachung des Ladezustands einer aufladbaren Batterie, insbesondere in einem Fahrzeug, – bei dem ein mit dem Ladezustand korrelierter Ladezustandswert (SOC) mittels Stromintegration (Σ) ermittelt wird, – bei dem mittels Batterieparametern (Rdi, Riad, ΔU und U0) ein Maximalwert (MAX) zur Begrenzung des ermittelten Ladezustandswerts (SOC) nach oben und/oder ein Minimalwert (MIN) zur Begrenzung des ermittelten Ladezustandswerts (SOC) nach unten und/oder ein Referenzwert (Reset) zum Rücksetzen des Ladezustandswerts (SOC) ermittelt wird/werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass der Maximalwert (MAX) aus einer Kennlinie (6) oder aus einem Kennfeld (5) ermittelt wird, das einen Batterieparameter (Rdi) mit dem Ladezustand (SOC) in Beziehung setzt, und/oder – dass der Minimalwert (MIN) aus einer Kennlinie (8) oder aus einem Kennfeld (7) ermittelt wird, das einen Batterieparameter (Riad) mit dem Ladezustand (SOC) in Beziehung setzt, und/oder – dass der Referenzwert (Reset) aus einer Kennlinie (11) oder aus einem Kennfeld ermittelt wird, das einen Batterieparameter (U0) mit dem Ladezustand (SOC) in Beziehung setzt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, – dass als Batterieparameter ein dynamischer Innenwiderstand (Rdi) der Batterie ermittelt wird, – dass der Ladezustandswert (SOC) nach oben durch den Maximalwert (MAX) begrenzt wird, wenn der ermittelte dynamische Innenwiderstand (Rdi) oberhalb eines vorbestimmten Grenzwerts (12) liegt, – wobei insbesondere vorgesehen sein kann, dass der Maximalwert (MAX) und/oder der Grenzwert (12) abhängig von der Batterietemperatur (T) bestimmt wird/werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, – dass als Batterieparameter während eines Ladevorgangs ein Ladewiderstand (Riad) ermittelt wird, – dass der Ladezustandswert (SOC) nach unten durch den Minimalwert (MIN) begrenzt wird, wenn der ermittelte Ladewiderstand (Riad) oberhalb eines vorbestimmten Grenzwerts (13) liegt, – wobei insbesondere vorgesehen sein kann, dass der Minimalwert (MIN) und/oder der Grenzwert (13) abhängig von der Batterietemperatur (T) bestimmt wird/werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, – dass als Batterieparameter während eines konstanten Entladevorgangs mittels eines Spannungsabfalls (ΔU) eine Quasi-Ruhespannung (U0) ermittelt wird, – dass aus der Quasi-Ruhespannung (U0) der Referenzwert (Reset) für den Ladezustand (REF-SOC) ermittelt wird, auf den der Ladezustandswert (SOC) zurückgesetzt wird, – wobei insbesondere vorgesehen sein kann, dass der Spannungsabfall (ΔU) abhängig von der Betriebstemperatur (T) ermittelt wird.