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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung vorgebbarer Größen eines
elektrischen Speichers mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Insbesondere
werden Größen eines
elektrischen Energie- oder Ladungsspeichers für ein Kraftfahrzeug ermittelt,
wobei vorgebbare Größen die
Leistungsfähigkeit,
die Speicherfähigkeit
oder auch den Typ des elektrischen Speichers umfassen.
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Zur Überwachung
der Leistungs- und/oder Speicherfähigkeit der elektrischen Energiespeicher im
Kraftfahrzeugbordnetz, beispielsweise im Rahmen eines elektrischen
Energiemanagements, werden üblicherweise
Verfahren eingesetzt, die zu einem gewissen Teil a priori Kenntnisse über den
verwendeten Energiespeicher nutzen. Solche Verfahren sind beispielsweise
in der
DE 199 59 019 beschrieben.
Solche Kenntnisse über
den verwendeten Energiespeicher nutzen z.B. die Nennkapazität oder den Kaltstartstrom,
um die gesuchten Größen Leistungs- u.
Speicherfähigkeit
zu ermitteln.
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Kommen
für einen
Fahrzeugtyp z.B. abhängig
von dessen Motorisierung bzw. der eingebauten Verbraucher unterschiedliche
Batteriegrößen in Frage,
müssen
die a priori Daten der Batteriezustandserkennung beim Einbau bzw.
Tausch des Energiespeichers mitgeteilt werden. Dies kann in der
Werkstatt durch entsprechende Kodierung geschehen, ist aber beim
Batteriewechsel durch den Endkunden nicht praktikabel. Zudem können Fehler
bei der Kodierung nicht ausgeschlossen werden. Eine andere Möglichkeit
bieten adaptive modellbasierte Verfahren zur Batteriezustandserkennung,
die die für
die Leistungs- bzw. Speicherfähigkeit
relevanten Parameter selbständig
z.B. durch kontinuierliche Messung von Strom, Spannung u. Temperatur
des Energiespeichers adaptieren. Diese Verfahren sind für eine schnelle
Adaption der gesuchten Parameter auf eine ausreichende Bordnetzdynamik
und Zyklisierung des Energiespeichers angewiesen, da ein aktiver
Eingriff ins Bordnetz vom Fahrzeughersteller nicht zugelassen wird
oder zu aufwendig und damit zu teuer ist.
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Eine
ausreichende Bordnetzdynamik liegt jedoch nicht immer vor, beispielsweise
bei einer Autobahnfahrt und eine zu starke Zyklisierung ist nicht
erwünscht,
da sie die Batterielebensdauer verringert. Dadurch kann es unter
Umständen
einige Tage bis Wochen dauern, bis die Batteriezustandserkennung die
Parameter der getauschten Batterie adaptiert hat. Das betrifft insbesondere
die Batteriekapazität,
für deren
Adaption mit aktuellen Verfahren Lade-/Entladehübe von > 20-30% Nennkapazität erforderlich sind. Ein weiterer
Aspekt ist, dass in der Regel nicht alle für die Leistungs- und Speicherfähigkeit
relevanten Parameter adaptiert werden können, da das Verfahren sonst
zu aufwendig würde,
die Messgrößen Strom,
Spannung, Temperatur dazu nicht ausreichen oder der Energiespeicher
in Arbeitspunkten betrieben werden müsste, die im Fahrzeug normalerweise nicht
auftreten, beispielsweise Überladung
oder niedriger Ladezustand.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Erkennung vorgebbarer Größen eines
elektrischen Speichers mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil,
eine schnelle Erkennung des Speichertyps sowie der Parameter des
Speichertyps zu ermöglichen
und die Adaption der für
die Ermittlung von Leistungs- und/oder Speicherfähigkeit relevanten Parametern
durchzuführen.
Es ist insbesondere geeignet, für
einen elektrischen Speicher in einem Fahrzeugbordnetz, beispielsweise
eine Bleibatterie eingesetzt zu werden und aus der kontinuierlichen
Messung von Strom, Spannung und Temperatur ohne Konditionierung
des Speicher- bzw. Batterietyps oder aktive Stimulation des Bordnetzes
auszukommen.
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Besonders
vorteilhaft ist, dass der Typ und die Parameter des elektrischen
Energiespeichers auch im Vergleich zu den bekannten modellbasierten Verfahren
deutlich schneller ermittelt werden kann. Dadurch erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren bereits
innerhalb von wenigen Minuten der ersten Betriebsphase eine zuverlässige Aussage über Leistungs-
und Speicherfähigkeit
des getauschten Energiespeichers. Dies ist insbesondere für sicherheitskritische
Anwendungen wie x-by-wire-Anwendungen wichtig,
damit möglichst
schnell erkannt wird, ob der getauschte Energiespeicher bzw. die
getauschte Energie für
diese Anwendung zugelassen ist und die geförderte Leistung bzw. Speicherfähigkeit
grundsätzlich
kann.
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Erzielt
werden diese Vorteile, indem ein Verfahren zur Erkennung vorgebbarer
Größen eines elektrischen
Speichers, beispielsweise einer Batterie in einem Fahrzeug eingesetzt
wird, bei dem verschiedene Parameter ermittelt werden. Bei diesen
Parametern handelt es sich um schnelladaptierbare Parameter, die
innerhalb von Sekunden oder Minuten adaptiert werden und langsam
adaptierbare Parameter, die innerhalb von Stunden oder Tagen adaptiert
werden. Eine solcher langsam adaptierbarer Parameter ist die Batteriekapazität. Da die
schnell adaptierbaren Parameter mit den langsam adaptierbaren Parametern
korrelieren, wird auf letztere, insbesondere die Batteriekapazität, aus den
schnell adaptierbaren Parametern geschlossen, unter Berücksichtigung
vorgebbarer Schätzroutinen
und Schätzfehler.
Durch Vergleich der ermittelten Parameter mit abgespeicherten Parametern
kann der Typ der eingesetzten Batterie erkannt werden.
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Weitere
Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegeben
Maßnahmen erzielt.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass das erfindungsgemäße Verfahren
auch erkennen lässt, ob überhaupt
ein Tausch des Energiespeichers stattgefunden hat oder ob die eventuell
gealterte Batterie nur für
andere Zwecke, z.B. zum Nachladen in einem Ladegerät vom Bordnetz
abgeklemmt war.
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Als
schnell adaptierbare Parameter werden vorteilhafter Weise Zeitkonstanten
von RC-Gliedern mit
kleinen Zeitkonstanten gewählt,
die sich aus vorgebbaren Widerständen
und Kapazitäten
des elektrischen Speichers zusammensetzen oder der ohmsche Innenwiderstand
des elektrischen Speichers. Als langsam adaptierbarer Parameter
wird beispielsweise die Ersatzkapazität des elektrischen Speichers gewählt.
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Aus
dem Vergleich der schnelladaptierbaren Parameter und der langsam
adaptierbaren Parameter mit abgespeicherten Parametern kann zuverlässig auf
die Leistungsfähigkeit
und/oder die Speicherfähigkeit
geschlossen werden oder ob es sich bei dem Energiespeicher um einen
zugelassenen Energiespeicher handelt ob ein Tausch des Speichers
erfolgt ist.
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Besonders
vorteilhaft ist, dass aus den adaptierten und den nicht adaptierten
Parametern ein Abstandsmaß gebildet
wird, das zur Erkennung der vorgebbaren Größen mit den abgespeicherten
Parametern verglichen wird und dass aus dem Vergleichsergebnis auf
die vorgebbare Größe, insbesondere
den Speichertyp geschlossen wird. Das Abstandsmaß kann abhängig vom Fehlerquadrat oder
von Absolutwerten vorgebbarer Parameter gebildet werden. Relative
Fehlerquadrate vorgebbarer Parameter oder Parametersätze können ermittelt
werden, in Abhängigkeit
von der aktuellen Genauigkeit des geschätzten Parameters und dessen
Signifikanz für
einen bestimmten Speichertyp, wobei die Signifikanz mittels Gewichtungsfaktoren
berücksichtigt
wird. Von Vorteil ist dabei, dass schnell adaptierbare parameter
stärker
zum Abstandsmaß beitragen
als langsame, deren Fehlervarianz lange auf hohem Niveau bleibt.
In vorteilhafter Weise werden Parameter bezüglich ihrer Signifikanz für die Unterscheidung
der verschiedenen Speichertypen gewichtet und der Parameter mit der
größten relativen
Varianz bezüglich
des Speichertyps, insbesondere des Batterietyps am stärksten gewichtet
wird und umgekehrt.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der Beschreibung
näher erläutert. Dabei
beschreibt 1 im Wesentlichen das Ersatzschaltbild
eines Bleiakkumulators und 2 zeigt
erfindungswesentliche Komponenten einer Vorrichtung zur Erkennung
vorgebbarer Größen eines
elektrischen Speichers. In 3 ist ein Flussdiagramm
mit wesentlichen Verfahrensschritten dargestellt.
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Beschreibung
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Der
Erfindung liegt die prinzipielle Idee zugrunde, dass bestimmte bei
normaler Bordnetzanregung verhältnismäßig schnell
adaptierbare Parameter (Sekunden bis Minuten) eines elektrischen
Energiespeichers, beispielsweise eines Bleiakkumulators mit eher
langsam adaptierbaren Parametern (Stunden bis Tage) wie der Batteriekapazität korrelieren, so
dass bereits nach Einschwingen der schnell adaptierbaren Parameter
auf die langsam adaptierbaren Parameter geschlossen werden kann.
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Erfindungswesentliche
Parameter bzw. Größen eines
elektrischen Speichers, beispielsweise einer Bleibatterie bzw. eines
Bleiakkumulators sind in 1 angegeben.
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Dabei
zeigt das Ersatzschaltbild eines Bleiakkumulators und verdeutlich
folgende Zusammenhänge:
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Betriebsgrößen:
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- IBatt
- = Batteriestrom (< 0 für Entladen)
- UBatt
- = Batteriespannung
- TBatt
- = Batterietemperatur
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Zustandsgröße:
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- UC0
- = Ruhespannung
- Uk
- = Konzentrationspolarisation
- UDp
- = Durchtrittspolarisation
der positiven Elektrode
- UDn
- = Durchtrittspolarisation
der negativen Elektrode
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Parameter:
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- Ri
- = ohmscher Innenwiderstand
(Bleigitter + Säure)
- C0
- = Ersatzkapazität der Batterie
- Rk,Ck
- = Widerstand und Kapazität der Säurediffusion
- RDp,CDp
- = Widerstand und Kapazität der Doppelschicht
der positiven Elektrode
- RDn,CDn
- = Widerstand und Kapazität der Doppelschicht
der negativen Elektrode
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Die
Ersatzkapazität
C0 der Batterie liegt bei Starterbatterien
typischerweise in der Größenordnung
von 150000F-350000F. D.h. um aus einer an den Batterieklemmen messbare
Spannungsänderung
die Kapazität
C0 bestimmen zu können, sind große Ladungsentnahmen
bzw. Ladungszunahmen von 20-30% der Nennkapazität erforderlich, die im Fahrzeug-Bordnetz,
wenn überhaupt,
nur über
einen Zeitraum von mehreren Stunden bzw. Tagen auftreten. Die Kapazitäten Ck der Säurediffusion
und CDp bzw. CDn der
elektrischen Doppelschicht zwischen den Elektroden u. dem Elektrolyt
sind näherungsweise
zumidest für
neue Batterien mit der Ersatzkapazität C0 skalierbar.
Zusammen mit dem jeweiligen Parallelwiderstand Rk bzw.
RDp, RDn bilden
sie RC-Glieder mit
Zeitkonstanten in der Größenordnung
von < Sekunden
bis Minuten, so dass Ck u. CDp,
CDn bei ausreichend hohen Lade-/Entladeströmen deutlich schneller
als die Ersatzkapazität
C0 adaptiert werden können. Weiterhin liefert auch
der ohmsche Innenwiderstand Ri zumindest
bei einer neuen Batterie und bezogen auf festen Ladezustand und
Temperatur einen Hinweis auf die Ersatzkapazität, da dieser mit wachsender
Batteriekapazität
sinkt.
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Ausgehend
von dieser Problematik geht das erfindungsgemäße Verfahren, dessen wesentlichste Schritte
in 3 aufgezeigt sind, vom im Folgenden beschriebenen Ansatz
aus: Das Verfahren geht zunächst
davon aus, dass die Parametersätze
aller für ein
bestimmtes Fahrzeug in Frage kommenden n insbesondere neuen Batterien
in einem nichtflüchtigen Speicher
abgelegt sind (p Batt1, p Batt2,
... p Battn).
Die Adaption der Parameter wird mit Schritt S1 symbolisiert. Zusätzlich werden
zur Erkennung, ob ein Batterietausch stattgefunden hat, oder die
Batterie nur abgeklemmt war, die zuletzt adaptierten Batterieparameter
nichtflüchtig
gespeichert (p Batt0).
Außerdem
wird vorausgesetzt, dass sich die Parameter auf fest vorgegebene
Werte von Temperatur und Ladezustand des Energiespeichers beziehen
(z.B. Tbatt = 25°C, SOC
= 100%), so dass diese bei einer neuen Batterie nur vom Batterietyp
abhängen.
Die Parameter werden unterteilt in adaptierte und nicht adaptierte
Parameter: p Batt T = [p Batt.ad T p Batt.noad T].
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Für die Erkennung
des Batterietyps bzw. welcher der gespeicherten Parametersätze p Batt0, p Batt2, ... p Battn dem
Parametersatz p Batt der
aktuell eingebauten Batterie am ehesten entspricht wird das folgende „Abstandsmaß" für die adaptierten
Parameter verwendet: D2 0..n = Σgewi·[pi,Batt,ad – pi,Batt0..n,ad)/pi,Batt0..n,ad 2 i
= 1 ... m
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Alternativ
zum Fehlerquadrat kann z.B. auch der Absolutwert verwendet werden.
Die rel. Fehlerquadrate der einzelnen Parameter werden mit dem Faktor
gewi=1..m individuell für jeden der m Parameter eines
Parametersatzes in Abhängigkeit
von der aktuellen Genauigkeit des geschätzten Parameters und dessen
Signifikanz für
einen bestimmten Batterietyp gewichtet. Werden die Parameter z.B.
mit einem Kalman-Filter geschätzt,
liefert dieses zu jedem Parameter auch dessen Fehlervarianz Pp1..m,Batt, so dass sich für die Gewichtungsfaktoren
folgender Ansatz anbietet: gewA,i=1..m =
min(1.0, PSchwelle,1..m/Pp1..m,Batt)
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D.h.
mit sinkender Schätzfehlervarianz
bzw. wachsender Genauigkeit eines Parameters steigt die Gewichtung
des zugehörigen
Fehlers bis sie bei einer vorgegebenen Varianzschwelle PSchwelle,1..m auf den Maximalwert 1 begrenzt
wird.
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Dadurch
wird erreicht, dass schnell adaptierbare Parameter stärker zum
Abstandsmaß beitragen als
langsam adaptierbare, deren Fehlervarianz lange auf hohem Niveau
bleibt. Zusätzlich
werden die Parameter bzgl. ihrer Signifikanz für die Unterscheidung der verschiedenen
Batterietypen gewichtet, d.h. dass der Parameter mit der größten relativen
Varianz bzgl. des Batterietyps am stärksten gewichtet wird und umgekehrt: gewB,i=1..m =
min(1.0,
1/(n + 1)·Σ[(pi,Batt,j,ad – pi,Batt,ad,mittel)/pi,Batt,ad,mittel]2)j
= 0 .. n
mit: pi,Batt,ad,mittel =
1/(n + 1)·Σ pi,Batt,j,ad, j = 0 .. n
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Zusammengefasst
ergibt sich das „Abstandsmaß" als: D2 0..n= Σgewi·[(pi,Batt,ad – pi,Batt0..n,ad)/pi,Batt0..n,ad]2 i
= 1 .. m
mit: gewi =
gewA,i·gewB,i gewA,i=
min(1.0, PSchwelle,i/Pp,i,Batt) gewB,i=
min(1.0,
1/(n + 1)·Σ[(pi,Batt,j,ad – pi,Batt,ad,mittel)/pi,Batt,ad,mittel]2) j
= 0 .. n pi,Batt,ad,mittel =
1/(n + 1)·Σpi,Batt,j,ad j = 0 .. n
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Nachdem
die schnell adaptierbaren Parameter eingeschwungen sind und dies
im Schritt S2 erkannt wird, kann im Schritt S3 durch Minimumbildung der
Abstandsmaße
der dem geschätzten
Parametersatz am nächsten
liegende ausgewählt
und die langsam bzw. nicht adaptierbaren Parameter durch die des
ausgewählten
Parametersatzes ersetzt werden. Außerdem kann entschieden werden,
ob überhaupt ein
Batterietausch vorlag und ob eventuell, bei zu großen Abständen zu
den gespeicherten Parametersätzen,
eine für
den Anwendungszweck nicht vorgesehene Batterie getauscht wurde: k = Index(min(D2 0..n))
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Fall 1:
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Es
wird im Schritt S4 die Bedingung geprüft, ob min (D2 0..n) < D2 max
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Falls
dies nicht zutrifft, gilt: min (D2 0..n) > D2 max
- ⇨ nicht vorgesehene Batterie, d.h. es wird im Schritt
S5 erkannt, dass eine nicht vorgesehene Batterie eingesetzt wurde.
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Fall 2;
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Wird
Schritt S4 mit ja entschieden, wird im Schritt S6 geprüft, ob k > 0.
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Falls
dies nicht zutrifft, gilt: k = 0 und min (D2 0..n) ≤ D2 max
- => Batterie wurde
nicht getauscht (Schritt S7)
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Fall 3;
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Werden
die Schritte S4 und S6 mit ja entschieden, gilt; k
= 1 .. n und min (D2 0..n) ≤ D2 max
- => Batterietyp
eindeutig erkannt (Schritt S8)
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Wird
kein passender Parametersatz ermittelt wie im Fall 1, kann anhand
von Prädiktoren
für die Leistungs-
und/oder Speicherfähigkeit
des Energiespeichers wie z.B. in der
DE 103 01 823 A oder
DE 1 03 28 721 A angegeben,
auf Basis der schnell adaptierten Parameter eine grundsätzliche
Aussage über die
Brauchbarkeit für
den jeweiligen Anwendungszweck getroffen werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
gemäß dem Hauptanspruch
einschließlich
der vorteilhaften Weiterbildungen werden mit Hilfe einer Auswerteeinrichtung
durchgeführt,
die insbesondere eine Recheneinsichtung bzw. ein Steuergerät, beispielsweise
ein Batteriesteuergerät
oder ein Bordnetzsteuergerät
darstellt und neben geeigneten Prozessoren auch Speichermittel umfasst.
Die für
die Durchführung
der Verfahren benötigten
Größen werden
mittels geeigneter Mittel, beispielsweise Sensoren gemessen und
der Auswerteeinrichtung zugeführt
und von dieser gegebenenfalls nach einer Aufbereitung verarbeitet.
In 2 sind erfindungswesentliche Mittel der Auswertevorrichtung
dargestellt. Es sind dies ein Prozessor P, in dem die erfindungsgemäßen Verfahren
ablaufen, ein bzw. mehrere Speicher SP, in die Anfangswerte eingespeichert
sind, auf die der Prozessor P zugreifen kann. In die Speicher SP
können dabei
auch laufend Messwerte übernommen
werden. Die Messwerte, beispielsweise IBatt =
Batteriestrom (< 0
für Entladen),
UBatt = Batteriespannung und TBatt = Batterietemperatur
werden mittels geeigneter Mittel, insbesondere Sensoren Sen gemessen
und dem Prozessor P zugeführt.
Eine Anzeige A kann den ermittelten Ladezustand oder dem Batterietyp
usw. anzeigen.