DE10228351A1

DE10228351A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Alterungszustandes einer Batterie

Info

Publication number: DE10228351A1
Application number: DE2002128351
Authority: DE
Inventors: Hubert Bischof
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-06-25
Filing date: 2002-06-25
Publication date: 2004-01-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Alterungszustandes einer Batterie. Dabei wird die Doppelschichtkapazität der Batterie ermittelt und aus der ermittelten Doppelschichtkapazität der Alterungszustand der Batterie bestimmt. Es wird eine Spule verwendet, welche über einen Schalter parallel zur Batterie schaltbar ist, um einen Schwingkreis zu bilden. Mittels eines Zählers wird die der Eigenfrequenz des Schwingkreises entsprechenden Periodendauer gemessen. Die gemessene Periodendauer und die Induktivität der Spule werden zur Berechnung der Doppelschichtkapazität verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Alterungszustandes einer Batterie, insbesondere einer Blei-Säure-Batterie.
Es sind bereits Verfahren zur Ermittlung des Ladezustands einer Batterie bekannt. Das Ergebnis dieser Verfahren sind Aussagen darüber, wie groß die aktuell zur Verfügung stehende Batteriekapazität ist. Information über den Alterungszustand der jeweils vorliegenden Batterie können mittels dieser Verfahren nicht gewonnen werden. Dies ist nachteilig, da für viele Anwendungen Informationen über den Alterungszustand der jeweiligen Batterie wichtig sind.

Aus der EP 0 471 698 B1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands und weiterer physikalischer Größen eines wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichers bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren werden Prozesseingangsgrößen des Energiespeichers gemessen und in einem Rechner verarbeitet. Dabei wird nach dem Prinzip des indirekten Messens ein vorgebbares Modell, in Form nicht-linearer mehrparametriger Funktionen, das den Ladungszustand und die zu bestimmenden physikalischen Größen und ihre physikalischen Beziehungen zueinander repräsentiert, mit den gemessenen Prozesseingangsgrößen verglichen. Im Falle von Abweichungen werden für die nachfolgende Messung die Modellparameter adaptiert. Zur Ermittlung des Ladezustandes und der zu bestimmenden physikalischen Größen wird eine vielparametrige Beschreibung in Form des Modells und eine heuristische Parametrierung verwendet. Dabei weist diese Beschreibung mehr Parameter auf als Prozesseingangsgrößen. Zunächst wird die unterbestimmte Lösungsmenge des Modells und dann der Ladungszustand und die weiteren physikalischen Größen mit Hilfe der Parametrierung als Schätzung unter Verwendung von Kennlinien und Daten bekannter Energiespeicher bestimmt.

Weiterhin sind aus der US 6,160,382 und der dazu korrespondierenden WO 00/31557 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung charakteristischer Parameter eines Ladungsspeichers bekannt. Diese basieren auf einer in einem großen Frequenzbereich erfolgenden Impedanzmessung und einem nichtlinearen Modell, wobei die Parameter des nichtlinearen Modells die Charakteristika verschiedener Ladungsspeichertypen beschreiben.

Aus der DE 199 36 542 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Alterungszustandes einer Gebrauchsbatterie, insbesondere einer Gebrauchsbatterie mit einer Batteriekapazität größer 45 Ah, bekannt. Gemäß diesem bekannten Verfahren werden die Durchtrittskapazität der Gebrauchsbatterie auf der Grundlage einer Impedanzmessung bestimmt und Informationen über den Alterungszustand der Gebrauchsbatterie aus der Durchtrittskapazität abgeleitet. Dabei werden die Klemmen der Gebrauchsbatterie mit Wechselspannungen bzw. Wechselströmen verschiedener Frequenzen beaufschlagt, die beispielsweise in einem Bereich von 10^–2 bis 10^–4 Hz liegen. Die Impedanz wird in einen imaginären und einen realen Anteil aufgespaltet, wobei der imaginäre Anteil als Funktion des realen Anteils betrachtet wird. Die Durchtrittskapazität wird aus den Extrema dieser Funktion ermittelt.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß der Erfindung weisen demgegenüber den Vorteil auf, dass lediglich eine Periodendauermessung erfolgen muss und aus der gemessenen Periodendauer mittels eines einfachen Rechenvorganges die Durchtrittskapazität ermittelt werden kann. Der zur Realisierung der Erfindung zu treibende Aufwand ist gering. Dennoch wird eine hohe Genauigkeit erzielt.

Dies wird dadurch erreicht, dass zur Ermittlung der Doppelschicht- bzw. Durchtrittskapazität parallel zur Batterie eine Spule geschaltet wird, wodurch ein Schwingkreis entsteht. Mit zunehmender Alterung der Batterie verringert sich die Doppelschichtkapazität und die Eigenfrequenz des Schwingkreises ändert sich. Unter Verwendung eines schnellen Zählers wird die der Eigenfrequenz des Schwingkreises entsprechende Periodendauer gemessen. Aus der gemessenen Periodendauer und der bekannten Induktivität der Spule ist durch einen einfachen Rechenvorgang die Doppelschichtkapazität ermittelbar.

Dies erfolgt vorzugsweise in einem Messzeitintervall, in welchem alle anderen großen Verbraucher abgeschaltet sind, vorzugsweise im Nachlauf. Zur Einleitung des Messvorganges wird die Spule durch Betätigung eines Schalters parallel zur Batterie geschaltet. Nach Ablauf des Messzeitintervalles wird der Schalter wieder geöffnet und dadurch der Schwingkreis wieder aufgetrennt.

Nachfolgend wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel für die Erfindung näher erläutert. Die Figur zeigt ein Diagramm mit den zum Verständnis der Erfindung notwendigen Bauteilen einer Vorrichtung zur Bestimmung des Alterungszustandes einer Batterie.
Beschreibung
Die gezeigte Vorrichtung weist eine Batterie 1, beispielsweise eine Blei-Säure-Batterie, ein Steuergerät 2, einen Generator 3 und Verbraucher 4 auf. Zum Steuergerät 2 gehören eine Spule 5, ein Schalter 6, eine Auswerteeinheit 7 und eine Sensorik 8.
Die Verbraucher 4, die beispielsweise in einem Kraftfahrzeug angeordnet sind, werden in bekannter Weise aus der Batterie 1 und dem Generator 3 mit Energie versorgt. Dabei erfolgt im Betrieb des Kraftfahrzeugs, also während der Fahrt, die Versorgung der Verbraucher 4 aus dem Generator. Weiterhin erfolgt im Betrieb des Kraftfahrzeugs auch ein Nachladen der Batterie unter Verwendung von mittels des Generators erzeugter Energie. Im Stillstand des Fahrzeugs bzw. bei abgeschaltetem Motor erfolgt die Versorgung der Verbraucher aus der Batterie.
Für den Fahrzeugführer ist es in vielen Fällen wichtig, Informationen über den Alterungszustand der Batterie zu haben, um beispielsweise im Winter, wenn aufgrund niedriger Umgebungstemperaturen hohe Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Batterie gestellt werden, rechtzeitig vor einem eventuellen Ausfall der Batterie für einen Austausch sorgen zu können.
Diese Notwendigkeit, Informationen über den Alterungszustand der Batterie zu haben, besteht auch bei vielen anderen Anwendungen, insbesondere bei sicherheitskritischen Anwendungen, bei denen ein Ausfall der Batterie große Schäden hervorrufen würde.
Um derartige Informationen über den Alterungszustand der Batterie 1 zu ermitteln, weist die in der Figur gezeigte Vorrichtung eine Spule 5 auf, die unter Verwendung eines Schalters 6 parallel zur Batterie 1 schaltbar ist.
Das Schließen des Schalters 6 erfolgt für die Dauer eines Messzeitintervalles, welches beispielsweise im Nachlauf liegt. In diesem Messzeitintervall sind alle großen Verbraucher abgeschaltet, so dass sich die Batterie in einem Zustand niedriger Belastung befindet.
In diesem Messzeitintervall erfolgt eine Messung der Periodendauer T der Eigenfrequenz des gebildeten Schwingkreises. Zu diesem Zweck ist der masseferne Anschluss der Spule 5 mit der Auswerteeinheit 7 verbunden, die einen Zähler enthält. Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit von einem Mikrocomputer gebildet. Da die Induktivität L der Spule 5 bekannt ist, ist die Doppelschicht- bzw. Durchtrittskapazität C_DS der Batterie berechenbar. Es gilt die folgende Beziehung:
wobei T die der Eigenfrequenz des Schwingkreises entsprechende Periodendauer,
L die Induktivität der Spule 5 und
C_DS die Doppelschicht bzw. Durchtrittskapazität der Batterie ist.
Löst man die vorstehend angegebene Beziehung nach C_DS auf, dann ergibt sich für die Doppelschicht- bzw. Durchtrittskapazität:
Folglich kann durch eine Messung der Periodendauer T und eine Anwendung der vorstehenden Formel die Doppelschichtbzw. Durchtrittskapazität, die mit zunehmender Alterung der Batterie kleiner wird, in einfacher und genauer Weise ermittelt werden.
Im Unterschied zur DE 199 35 592 A1 sind keine hochgenauen Strom- und Spannungsmessungen notwendig. Es ist auch nicht notwendig, die Batterieklemmen mit Wechselspannun gen bzw. Wechselströmen verschiedener Frequenzen zu beaufschlagen, mittels einer FFT die Amplituden und Phasenlagen dieser Größen zu ermitteln und daraus die Impedanz zu ermitteln, aus welcher die aktuell wirksame Batteriekapazität abgeleitet werden kann.
Bei der Erfindung entfällt folglich der Aufwand zur Realisierung der Wechselspannungsanregung und der zur Durchführung des bekannten Verfahrens erforderliche Rechenaufwand. Weiterhin entfällt die Notwendigkeit, ein Ersatzschaltbild zu hinterlegen, welches mit Hilfe der Messdaten parametrisiert wird.
Aus dem ermittelten Wert für die Doppelschichtkapazität können aufgrund des linearen Zusammenhanges Informationen über die Speicherkapazität der Batterie gewonnen werden.
Dazu bedarf es lediglich einer einfachen Periodendauermessung und einer einfachen Anwendung der oben angegebenen mathematischen Beziehung.
Die Initialisierung der Bestimmung des Alterungszustandes erfolgt dann, wenn eine neue Batterie eingebaut wird. Die nach dem Einbau der neuen Batterie ermittelte Doppelschichtkapazität wird der Speicherkapazität der Batterie zugeordnet. Die im Laufe der Betriebsdauer der Batterie auftretenden Veränderungen der Doppelschichtkapazität erlauben dann Aussagen über den Alterungszustand bzw. die Degradierung der Batterie.
Die Messung der Spulenspannung kann optional durch die Messung der Batteriespannung oder des Batteriestromes ersetzt werden, falls dies die jeweils vorliegenden Genauigkeitsanforderungen zulassen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Erfindung in einem Steuergerät realisiert wird, wie es im Zusammenhang mit einem elektronischen Batteriemanagement-System (EBM) oder einem elektronischen Power-Management-System (EPM) verwendet wird.
Denn bei derartigen Systemen ist ohnehin eine Erfassung der Batteriespannung und des Batteriestromes vorgesehen. Dies ist in der Figur durch die Sensorik 8 angedeutet, welche einen Temperatursensor, einen Spannungssensor und einen Stromsensor enthält. Die von diesen Sensoren gewonnenen Informationen werden der Auswerteeinheit 7 zugeführt und dort in gewünschter Weise weiterverarbeitet.

1: Batterie
2: Steuergerät
3: Generator
4: Verbraucher
5: Spule
6: Schalter
7: Auswerteeinheit
8: Sensorik

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Alterungszustandes einer Batterie, bei welchem die Doppelschichtkapazität der Batterie ermittelt und aus der ermittelten Doppelschichtkapazität der Alterungszustand der Batterie bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass –eine Spule parallel zur Batterie geschaltet wird, um einen Schwingkreis zu bilden, – die der Eigenfrequenz des Schwingkreises entsprechende Periodendauer gemessen wird und – unter Verwendung der gemessenen Periodendauer und der Induktivität der Spule die Doppelschichtkapazität berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelschichtkapazität nach der folgenden Beziehung berechnet wird:
wobei C_DS die Doppelschichtkapazität, T die der Eigenfrequenz des Schwingkreises entsprechende Periodendauer und L die Induktivität der Spule ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Alterungszustandes der Batterie in einem Messzeitintervall vorgenommen wird, in welchem sich die Batterie in einem Zustand niedriger Belastung befindet.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurchgekennzeichnet, dass das Messzeitintervall im Nachlauf liegt.
Vorrichtung zur Bestimmung des Alterungszustandes einer Batterie, wobei die Doppelschichtkapazität der Batterie ermittelt und aus der ermittelten Doppelschichtkapazität der Alterungszustand der Batterie bestimmt wird, mit – einer Batterie (1), – einem an die Batterie angeschlossenen Verbraucher (4) und – einer Spule (5), welche über einen Schalter (6) parallel zur Batterie (1) schaltbar ist, um einen Schwingkreis zu bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Zähler (7) enthält, der zur Ermittlung der der Eigenfrequenz des Schwingkreises entsprechenden Periodendauer vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , dass sie eine Auswerteeinheit (7) aufweist, die unter Verwendung der gemessenen Periodendauer und der Induktivität der Spule die Doppelschichtkapazität berechnet.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , dass die Auswerteeinheit (7) die Doppelschichtkapazität nach der folgenden Beziehung berechnet:
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5–8, dadurch gekennzeichnet , dass die Spule (5) , der Schalter (6) und die Auswerteeinheit (7) Bestandteile eines Steuergerätes (2) sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , dass das Steuergerät (2) ein Steuergerät eines Elektronischen Batteriemanagement-Systems oder eines Elektronischen Power-Management-Systems ist.