DE102008036159A1

DE102008036159A1 - Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie

Info

Publication number: DE102008036159A1
Application number: DE102008036159A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. Dinser (FH); Rainer Dipl.-Ing. Falsett
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-08-02
Filing date: 2008-08-02
Publication date: 2009-05-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands (SOC) einer Batterie, mit den Schritten: Erfassen eines aktuellen Werts einer Batteriespannung (Ubatt), eines aktuellen Werts eines Batteriestroms (Ibatt); Ermitteln eines aktuellen Werts eines dynamischen Innenwiderstands (Rdi) der Batterie; Ermitteln eines Werts einer für einen vordefinierten Wert eines Entladestroms (Ipräd) der Batterie an dem dynamischen Innenwiderstand (Rdi) abfallenden Spannung (Uri) in Abhängigkeit wenigstens eines aktuellen Werts des Batteriestroms (Ibatt); Ermitteln eines Werts einer Polarisationsspannung (Upol) der Batterie; Berechnen eines Werts einer Prädiktionsspannung (Upräd) für den vordefinierten Wert des Entladestroms (Ipräd) der Batterie in Abhängigkeit wenigstens des aktuellen Werts der Batteriespannung (Ubatt), des Werts der Polarisationsspannung (Upol) und des Werts der an dem dynamischen Innenwiderstand (Rdi) abfallenden Spannung (Uri); Ermitteln eines Werts einer einer Ruhespannung der Batterie in einem elektrischen unbelasteten Zustand entsprechenden Quasiruhespannung (Uquasi) in Abhängigkeit wenigstens eines Werts der Prädiktionsspannung (Upräd); Bestimmen des Ladezustands (SOC; Qlad_aktiv) der Batterie in Abhängigkeit des Werts der Quasiruhespannung (Uquasi),

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie bekannt. So sind beispielsweise Verfahren bekannt, bei welchen der Ladezustand der Batterie mittels einer Integration des Batteriestroms bestimmt wird. Dabei ist jedoch als nachteilig der Umstand anzusehen, dass die Integration des Batteriestroms mit einem Startwert initialisiert werden muss, welcher erst über ein geeignetes Verfahren ermittelt werden muss. Des Weiteren weist die Integration des Batteriestroms bekanntlich eine durch die Ungenauigkeit der Messung bewirkte Drift auf, welche über die Zeit ausgeglichen werden muss. Um diese Drift der Stromintegration auszugleichen, sind jedoch definierte Zustände der Batterie notwendig, welche beispielsweise in einem Fahrzeug sehr selten vorkommen. An dieser Stelle sei ferner ein weiterer Effekt erwähnt, dessen Einfluss bei der Integration des Batteriestroms zur Bestimmung des Ladezustands nicht berücksichtigbar ist. Nämlich führt bei gealterten Batterien ein gleicher Stromfluss zu einem deutlich höheren Spannungseinbruch der Batterie als bei neuen Batterien. Dies kommt aufgrund eines unterschiedlichen dynamischen Innenwiderstands einer gealterten Batterie und einer neuen Batterie zustande.
Des Weiteren ist es bekannt, den Ladezustand einer Batterie durch Messung einer Ruhespannung (OCV, Open Circuit Voltage) der Batterie, also einer Spannung einer elektrisch unbelasteten Batterie. Hierzu ist allerdings erforderlich, dass die Batterie über eine längere Zeit, üblicherweise über mehrere Stunden, elektrisch unbelastet bleibt. Aus dieser Ruhespannung kann dann direkt auf den Ladezustand der Batterie geschlossen werden. An diesem bekannten Verfahren ist allerdings als nachteilig der Umstand anzusehen, dass beim Auftreten eines Effekts einer so genannten Säureschichtung, bei welchem sich die Säurekonzentration im oberen Bereich der Batterie verringert und im unteren Bereich der Batterie erhöht und somit die Säuredichte keine homogene Verteilung innerhalb der Batterie aufweist, die bestimmte Ruhespannung kein ausschlaggebendes Indiz mehr für den Ladezustand der Batterie darstellt.
Es wäre wünschenswert, gäbe es ein Verfahren zum Bestimmen des Ladezustands einer Batterie, bei welchem der Ladezustand im Fahrbetrieb eines Fahrzeugs sowie unter Berücksichtigung des Effekts der Säureschichtung sowie unter Beachtung der Alterung der Batterie rasch und zuverlässig bestimmt werden kann.
Die vorliegende Erfindung geht von einem von der Anmelderin stammenden Verfahren zur Vorhersage einer Spannung einer Batterie aus, welches in der Druckschrift DE 102 57 588 B3 offenbart ist. Bei diesem Verfahren wird eine Spannung bestimmt, welche sich bei einer vordefinierten Belastung, also bei einem vordefinierten Entladestrom der Batterie einstellen würde. Nachstehend wird das bekannte Verfahren zur Vorhersage dieser Spannung, welche nachfolgend als Prädiktionsspannung bezeichnet wird, näher beschrieben.
Dem bekannten Verfahren liegt eine Problematik zugrunde, dass die Batteriespannung einer Fahrzeugbatterie einen bestimmten Grenzwert nicht unterschreiten darf, so dass bestimmte, sicherheitskritische Verbraucher, wie beispielsweise eine elektrohydraulische Bremse (Sensotronic Brake Control, SBC), voll funktionsfähig bleiben. Unterschreitet die Batteriespannung den vorbestimmten Grenzwert, kann es bei Anlegen einer Last zu einem Spannungseinbruch kommen. Deshalb wird bei dem bekannten Verfahren die Prädiktionsspannung der Batterie bestimmt, welche einer Spannung entspricht, die sich bei vordefinierter Last über eine vordefinierte Zeit an der Batterie einstellen würde.
Zunächst wird bei dem bekannten Verfahren ein aktueller Wert einer Batteriespannung U_batt und ein aktueller Wert eines Batteriestroms I_batt erfasst. Ferner wird ein aktueller Wert eines dynamischen Innenwiderstands R_di der Batterie berechnet. Dabei werden die Werte der Batteriespannung U_batt sowie des Batteriestroms I_batt mittels eines Sensors (zum Beispiel Intelligente Batteriesensorik, IBS) erfasst und an eine Recheneinrichtung übermittelt. Der Wert des dynamischen Innenwiderstands R_di wird durch ein bekanntes Verfahren, insbesondere mittels des Sensors (IBS), berechnet und an die Recheneinrichtung übermittelt. Es sei erwähnt, dass bei den erfassten Werten des Batteriestroms I_batt negative Werte eine Entladung und positive Werte eine Ladung der Batterie bedeuten.
Bei dem bekannten Verfahren werden die Werte der Batteriespannung U_batt sowie des Batteriestroms I_batt mit einem Tiefpassfilter erster Ordnung mit einer Grenzfrequenz von etwa 0,3 Hz gefiltert. Das Verfahren verwendet dann die gefilterten Werte der Batteriespannung U_filt sowie des Batteriestroms I_filt. Aus den gefilterten Werten der Batteriespannung U_filt sowie des Batteriestroms I_filt wird dann eine an dem dynamischen Innenwiderstand R_di der Batterie abfallende elektrische Spannung U_ri berechnet, welche durch die vordefinierte Belastung, also durch einen vordefinierten Entladestrom I_präd hervorgerufen wird. Diese an dem dynamischen Innenwiderstand R_di der Batterie abfallende
elektrische Spannung U_ri wird gemäß der nachstehenden Formel berechnet: Uri = (Ifilt – Ipräd)·Rdi·Wdi.
Da I_präd ein Entladestrom ist, muss er negativ eingesetzt werden. Bei der obigen Formel bezeichnet W_di einen Gewichtungsparameter, welcher vordefiniert wird. Die nachstehende Tabelle gibt mögliche Werte sowohl des Entladestroms I_präd als auch des Gewichtungsparameters W_di an:

Name Min Max Schritt Standardwert

I_präd –150 A –80 A 1 A –100 A

W_di 0,50 3,00 0,01 1,3
Wie aus der obigen Tabelle hervorgeht, beträgt ein Standardwert, also ein bevorzugt eingesetzter Wert des Entladestroms I_präd –100 A, wobei ein Standardwert des Gewichtungsparameters W_di vorzugsweise 1,3 beträgt. Beim Festlegen der Werte sowohl des Entladestroms I_präd als auch des Gewichtungsparameters W_di wird dabei eine gewisse Freiheit gegeben, so dass die Werte auf einen zwischen einem unteren Grenzwert und einem oberen Grenzwert liegenden Wert begrenzt werden (siehe Spalten Min und Max der obigen Tabelle). Die Werte des Entladestroms I_präd sowie des Gewichtungsparameters W_di können dabei jeweils in einem in der Tabelle angegebenen Schritt (1 A oder 0,01) variiert werden.
Anschließend wird bei dem Verfahren eine Polarisationsspannung U_pol berechnet, welche mehrere chemische Ursachen hat. So setzt sich die Polarisationsspannung U_pol aus mehreren Teilspannungen, und zwar einer Kristallisationsspannung, einer Diffusionsüberspannung sowie einer Durchtrittsspannung zusammen. Die Teilspannungen weisen jeweils eine nach einer e-Funktion verlaufende Abhängigkeit von dem Batteriestrom auf. Dabei hat sich herausgestellt, dass die Polarisationsspannung U_pol durch zwei einfache Reziprokfunktionen genau beschrieben werden kann. Die Polarisationsspannung U_pol wird gemäß der nachstehenden Formel ermittelt, wobei zu unterscheiden ist, ob die Batterie geladen oder entladen wird. Wird die Batterie geladen, also gilt I_filt > 0, so berechnet sich die Polarisationsspannung U_pol durch:
Wird hingegen die Batterie entladen, also I_filt ≤ 0, so kann die Polarisationsspannung U_pol wie folgt berechnet werden:
Dabei bezeichnet U_{pol_0} einen vorbestimmten Parameter, welcher gemäß der nachstehenden Formel berechnet wird: Upol_0 = Uconst – Utemp·Twobei T die Temperatur der Batterie, U_const und U_temp vorbestimmte Parameter bezeichnen. Ferner sind ik_lad und ik_ela empirische Parameter, welche die Krümmung der Kurve U_pol = f(I_filt) beschreiben. Des Weiteren sind ki_lad und ki_ela derart festzulegen, dass bei einem vorbestimmten Batteriestrom I_filt die Polarisationsspannung U_pol Null beträgt, also dass bei I_filt = I_fix → I_pot = 0 V. Es gilt also:
Diese Beschreibung der Polarisationsspannung U_pol gilt dann, wenn die Batterie in einem quasistatischen Zustand ist, also wenn der Batteriestrom I_batt konstant ist. Bedingt durch die chemischen Reaktionen, welche der Polarisationsspannung U_pol zugrunde liegen, verändert sich die Polarisationsspannung U_pol nur langsam. Die Veränderung folgt dabei zwei überlagerten Zeitkonstanten. Die Polarisationsspannung U_pol muss also in einen schnell und einen langsam einschwingenden Teil U_{pol_fast} und U_{pol_slow} zerlegt werden: Upol_fast = Wfast·Upol und Upol_slow = Wslow·Upol.
Anschließend erfolgt eine Tiefpassfilterung dieser beiden Polarisationsspannungsanteile U_{pol_fast} und U_{pol_slow} mittels zweier Tiefpassfilter. Die Zeitkonstanten der Tiefpassfilter sind unterschiedlich, je nach dem ob geladen (I_filt > 0) oder entladen (I_filt ≤ 0) wird. Wird die Batterie geladen, so beträgt die Zeitkonstante des Tiefpassfilters für den schnell einschwingenden Teil der Polarisationsspannung T_{filt_fast+} und die Zeitkonstante des Tiefpassfilters für den langsam einschwingenden Teil der Polarisationsspannung T_{filt_slow+}. Wird die Batterie entladen, so betragen die Zeitkonstanten entsprechend T_{filt_fast–} sowie T_{filt_slow–}. Die Polarisationsspannung ergibt sich schließlich durch: Upol = Upol_fast + Upol_slow.

Die entsprechenden Parameter sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben:

Name	Min	Max	Schritt	Standardwert
U_const	0,00 V	2,50 V	0,01 V	0,54 V
U_temp	0,0 mV/°C	25,0 mV/°C	0,01 mV/°C	8,5 mV/°C
k_lad	0 A	100 A	0,5 A	35 A
ik_ela	0 A	100 A	0,5 A	10 A
W_kiela	0,0	25,0	0,1	1,0
W_kilad	0,0	25,0	0,1	2,3
W_fast	0,00	1,00	0,01	0,2
W_slow	0,00	1,00	0,01	0,8
T_{filt_fast+}	1 s	15 min	1 s	1 s
T_{filt_slow+}	1 S	15 min	1 s	1 min
T_{filt_fast–}	1 s	15 min	1 s	1 s
T_{filt_slow–}	1 s	15 min	1 s	30 s
I_fix	–150 A	–80 A	1 A	–100 A

Dabei wird vorzugsweise der Standardwert der Parameter verwendet, wobei eine gewisse Freiheit beim Festlegen der Parameter durch einen unteren Grenzwert (Min) sowie einen oberen Grenzwert (Max) gegeben ist. Dabei können die Parameter jeweils in dem in der Tabelle angegebenen Schritt beim Festlegen variiert werden.
Bei dem Verfahren wird weiterhin eine Überspannung U_over berechnet, welche zusätzliche Spannungen darstellt, die beim Laden einer nahezu vollen oder kalten Batterie entstehen. Diese zusätzlichen Spannungen werden durch die einfache Modellierung der Polarisationsspannung U_pol nicht richtig abgebildet. Im Falle, dass der gefilterte Batteriestrom I_filt größer als 0 A und kleiner als 40 A sowie die gefilterte Batteriespannung U_filt größer als 13 V betragen, so berechnet sich die Überspannung gemäß der nachstehenden Formel:
Ist der gefilterte Batteriestrom I_filt größer als 40 A oder ist die gefilterte Batteriespannung U_filt kleiner als 13 V, so beträgt die Überspannung U_over 0 V.
Nachstehend wird die Vorgehensweise bei der Berechnung der Prädiktionsspannung U_präd, also einer Spannung, die sich bei definierter Belastung der Batterie, also bei dem definierten Entladestrom I_präd einstellt, näher erläutert. Die Prädiktionsspannung U_präd kann anhand der folgenden Formel berechnet werden: Upräd = Ufilt – Uri – Upol – Uover.
Um ein Überschwingen beziehungsweise eine große Änderung der Werte beziehungsweise unplausible Werte der Prädiktionsspannung U_präd, welche bei großen Sprüngen des Batteriestroms I_batt vom Entladen zum Laden der Batterie oder umgekehrt auftreten können, zu verhindern, wird die Prädiktionsspannung U_präd bei dem bekannten Verfahren beim Laden der Batterie auf einen unteren Grenzwert und beim Entladen der Batterie auf einen oberen Grenzwert begrenzt. Des Weiteren findet bei dem Verfahren eine Tiefpassfilterung der Prädiktionsspannung U_präd, welche ebenfalls begrenzt wird, statt.
Durch das bekannte Verfahren, also durch die Bestimmung der Prädiktionsspannung U_präd, wird eine Vorhersage eines Spannungseinbruchs ermöglicht, bevor dieser tatsächlich aufgrund einer Belastung der Batterie eintritt. Mit anderen Worten ermöglicht das Verfahren die Bestimmung einer elektrischen Spannung der Batterie, welche bei einer definierten Strombelastung der Batterie gegeben werden würde. Das Verfahren hat ferner den Vorteil, dass die Prädiktionsspannung U_präd im Fahrbetrieb eines Fahrzeugs ermittelt werden kann, so dass beim Erkennen einer unzulässigen Prädiktionsspannung U_präd entsprechende Maßnahmen getroffen werden können. Nun wäre es wünschenswert, wenn neben der Prädiktionsspannung U_präd der Batterie auch ein Ladezustand der Batterie während der Fahrt ermittelt werden könnte, so dass nach einem Fahrzeugstart sehr schnell verlässliche Aussagen über den Ladezustand und das Energiemanagement des Fahrzeugs getroffen werden können.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das aus der Druckschrift DE 102 57 588 B3 bekannte Verfahren derart weiterzuentwickeln, dass der Ladezustand der Batterie rasch und auf technisch einfache Weise sowie zuverlässig, insbesondere während eines Fahrbetriebs eines Fahrzeugs, bestimmt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren, welches die Merkmale nach Patentanspruch 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Effekt wird dadurch erzielt, dass ein Wert einer einer Ruhespannung der Batterie in einem elektrisch unbelasteten Zustand entsprechenden Quasiruhespannung in Abhängigkeit wenigstens des Werts der Prädiktionsspannung ermittelt wird und der Ladezustand der Batterie in Abhängigkeit des Werts der Quasiruhespannung bestimmt wird. In vorteilhafter Weise wird durch das erfindungsgemäße Verfahren erreicht, dass der Ladezustand der Batterie rasch und zuverlässig sowie auf technisch einfache Weise, auch in einem Fahrbetrieb eines Fahrzeugs, bestimmt werden kann.
Der Erfindung liegen mehrere Erkenntnisse zugrunde: Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein entscheidender Nachteil einer bekannten Stromintegration darin besteht, dass diese mit einem Startwert initialisiert werden muss, welcher erst über ein geeignetes Verfahren ermittelt werden muss. Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass dies umgangen werden kann, indem die Prädiktionsspannung der Batterie für das Ermitteln der Quasiruhespannung, welche einer Spannung der Batterie entspricht, die sich bei unbelasteter Batterie einstellen würde, herangezogen wird und der Ladezustand der Batterie als Funktion der Quasiruhespannung bestimmt wird. Die Erfindung beruht ferner auf der Erkenntnis, dass die bekannte Stromintegration eine durch Messungenauigkeiten bewirkte Drift aufweist, die zeitlich ausgeglichen werden muss. Des Weiteren beruht sie auf der Erkenntnis, dass bei der Stromintegration nicht berücksichtigt wird, dass eine entnehmbare Ladung der Batterie abhängig von der Stromstärke der Batterie ist, was durch das erfindungsgemäße Verfahren dadurch kompensiert wird, dass die Prädiktionsspannung oder die Quasiruhespannung diese Stromstärke abbildet. Überdies basiert die Erfindung auf der Erkenntnis, dass eine Batterietemperatur einen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Batterie hat und dies sich im Spannungsverlauf, also in der Quasiruhespannung, abbildet. Sie basiert schließlich auf der Erkenntnis, dass insbesondere bei gealterten Batterien ein gleicher Stromfluss zu einem deutlich höheren Spannungseinbruch führt als bei neuen Batterien, was durch das Bestimmen der Prädiktionsspannung sowie der Quasiruhespannung direkt in die Bestimmung des Ladezustands der Batterie eingeht. Demgegenüber bietet die bekannte Stromintegration hier keine Möglichkeit, diesen Einfluss darzustellen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer Ladezustands einer Batterie nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
2 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Tiefpassfilterung einer Quasiruhespannung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Das nachstehend näher geschilderte Ausführungsbeispiel stellt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
Wie aus 1 hervorgeht, werden in einem ersten Schritt 1 des Verfahrens zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie, vorliegend einer Fahrzeugbatterie, nach einer Ausführungsform der Erfindung ein aktueller Wert einer Batteriespannung U_batt, ein aktueller Wert eines Batteriestroms I_batt sowie ein aktueller Wert einer Temperatur T_batt der Batterie erfasst. Im Schritt 1 wird ferner ein aktueller Wert eines dynamischen Innenwiderstands R_di der Batterie ermittelt. Diese Parameter U_batt, I_batt, T_batt und R_di werden von einem Sensor (zum Beispiel intelligente Batteriesensorik, IBS) über ein Bussystem (zum Beispiel Local Interconnect Network, LIN) einer Recheneinrichtung (zum Beispiel SAM-H, Sensor- und Aktorenmodul) übermittelt. Die weitere Verarbeitung erfolgt in der Recheneinrichtung.
In einem zweiten Schritt 2 wird auf die oben ausgeführte Weise, wie in der Druckschrift DE 102 57 588 B3 angegeben, eine Prädiktionsspannung U_präd der Batterie in Abhängigkeit der im Schritt 1 ermittelten Parameter berechnet. Diese Prädiktionsspannung U_präd wird in einem Schritt 3 mittels eines Tiefpassfilters gefiltert und auf einen zwischen einem unteren Grenzwert und einem oberen Grenzwert liegenden Wert begrenzt. Die gefilterte Prädiktionsspannung U_{präd_filt} wird dann in einem Schritt 4 ausgegeben.
Gleichzeitig oder anschließend wird die Prädiktionsspannung U_präd (ungefiltert) zur Berechnung einer Quasiruhespannung U_quasi in einem weiteren Schritt 5 herangezogen. Dabei entspricht die Quasiruhespannung U_quasi einer Batteriespannung, welche sich bei einer unbelasteten Batterie, also bei einem Batteriestrom von 0 A, einstellen würde. Mit anderen Worten bezieht sich die Quasiruhespannung U_quasi nicht auf einen Entladestrom, sondern auf einen Batteriestrom von 0 A. Ein besonderer Vorteil des Ermittelns der Quasiruhespannung U_quasi besteht darin, dass dieser auch in einem Fahrbetrieb, also während der Fahrt, ermittelt werden kann, so dass auf eine sich bei einer unbelasteten Batterie einstellende Batteriespannung auch beim Belasten der Batterie geschlossen werden kann. Die Quasiruhespannung U_quasi berechnet sich aus den zuvor ermittelten Spannungen, also unter anderem aus der Prädiktionsspannung U_präd (ungefiltert):
wobei I_präd den vordefinierten Entladestrom der Batterie, R_di den dynamischen Innenwiderstand der Batterie, W_di einen Gewichtungsparameter sowie ki_ela und ik_ela vorbestimmte Parameter (siehe obige Ausführungen) bezeichnen. Ist die Quasiruhespannung größer als 12,9 V und ist der gefilterte Batteriestrom I_filt kleiner oder gleich 1 A, so wird die Quasiruhespannung U_quasi auf einen oberen Grenzwert von etwa 12,9 V begrenzt. Ist hingegen die Quasiruhespannung U_quasi kleiner als beispielsweise 11,4 V, so wird die Quasiruhespannung U_quasi auf einen unteren Grenzwert von etwa 11,4 V begrenzt. Dieser untere Grenzwert kann auch andere Werte annehmen, beispielsweise kann der untere Grenzwert zwischen 6 V und 12 V in einen Schritt von 0,1 V variiert werden. Diese Begrenzung der Quasiruhespannung U_quasi findet in einem weiteren Schritt 6 statt.
Anschließend wird die Quasiruhespannung U_quasi im Schritt 6 mittels eines ersten Tiefpassfilters 10 (siehe 2) geglättet, wobei ein Initialisierungswert T_anlauf einer Zeitkonstante des ersten Tiefpassfilters 10 für eine Initialisierungsphase der Tiefpassfilterung der Quasiruhespannung U_quasi vorgegeben wird. Anschließend wird die Zeitkonstante des ersten Tiefpassfilters 10 nach einem Zeitmuster, also in Zeitabständen von etwa 200 ms, angepasst.
Die Berechnung beziehungsweise Anpassung der Zeitkonstante des ersten Tiefpassfilters 10 ist anhand eines in 2 dargestellten Diagramms dargestellt. Dem ersten Tiefpassfilter 10 ist ein zweites Tiefpassfilter 11 nachgeschaltet, dessen Zeitkonstante konstant ist, im vorliegenden Beispiel 1 s beträgt. Die mittels des ersten Tiefpassfilters 10 gefilterte Quasiruhespannung U_{quasi_filt} wird also am Ausgang des ersten Tiefpassfilters 10 abgegriffen und zur Berechnung beziehungsweise Anpassung der Zeitkonstante des ersten Tiefpassfilters 10 herangezogen und mittels des zweiten Tiefpassfilters 11 gefiltert. Am Ausgang des zweiten Tiefpassfilters 11 ist somit eine mittels zweier Tiefpassfiltern 10, 11 gefilterte Quasiruhespannung U_{quasi_filt2} abgreifbar. Die Zeitkonstante des ersten Tiefpassfilters 10 wird in einem Funktionsblock 12 in Abhängigkeit der doppelt gefilterten Quasiruhespannung U_{quasi_filt2} dynamisch, also während der Tiefpassfilterung, angepasst. Ferner wird die Zeitkonstante des ersten Tiefpassfilters 10 in Abhängigkeit des gefilterten Batteriestroms I_filt angepasst. Wie bereits erwähnt, wird die Zeitkonstante des ersten Tiefpassfilters kontinuierlich im Kommunikationsraster von 200 ms berechnet. Zunächst wird eine Differenz eines aktuellen Werts der doppelt gefilterten Quasiruhespannung U_{quasi_filt2(t)} und eines zeitlich vorher ermittelten, also vorangegangenen Werts der Quasiruhespannung U_{quasi_filt2(t-1)} berechnet: ∆Uquasi_filt2 = Uquasi_filt2(t) – Uquasi_filt2(t-1) wobei ∆U_{quasi_filt2} die Differenz bezeichnet. Wie oben bereits ausgeführt, wird die Quasiruhespannung auf einen zwischen einem unteren Grenzwert von 11,4 V und einem oberen Grenzwert von 12,9 V liegenden Wert begrenzt. Eine mögliche Gesamtänderung der Quasiruhespannung beträgt somit 1,5 V. Bezieht man die Differenz ∆U_{quasi_filt2} auf die mögliche Gesamtänderung von 1,5 V, so entspricht dies einer Änderung des Ladezustands der Batterie bezogen auf 100
wobei ΔSOC die Änderung des Ladezustands der Batterie bezeichnet. Wie aus der obigen Formel hervorgeht, entspricht ferner die Änderung des Ladezustands ΔSOC bezogen auf 100 einer Ladungsänderung ΔC bezogen auf eine Gesamtkapazität C_akt der Batterie. Diese Gesamtkapazität C_akt kann der Recheneinrichtung von einem Bordnetzmanagement übermittelt werden und ist bei neuen Batterien gleich der Nennkapazität. Liegt der Wert der Gesamtkapazität C_akt nicht vor, so wird die Nennkapazität der Batterie herangezogen.
Aus der obigen Gleichung kann auf einen Strom zurückgerechnet werden, welcher für die erfolgte Ladungsänderung ΔC beziehungsweise für die Änderung des Ladezustands der Batterie ΔSOC beziehungsweise für die Differenz ΔU_{quasi_filt2} verantwortlich gewesen wäre. Dieser Strom I_quasi kann gemäß der nachstehenden Formel ermittelt werden:
woraus folgt:
wobei die Zeitdifferenz Δt 200 ms beträgt. Dieser Strom I_quasi wird anschließend auf einen zwischen einem unteren Grenzwert von –250 A und einem oberen Grenzwert von +250 A liegenden Wert begrenzt. Aus dem aus der doppelt gefilterten Quasiruhespannung U_{quasi_filt2} berechneten Strom I_quasi und dem tatsächlich geflossenen Batteriestrom I_filt wird eine Abweichung beziehungsweise Differenz berechnet, welche dann durch den Wert des tatsächlich geflossenen Stroms I_filt geteilt wird. Aus diesem Quotienten wird dann ein Betrag gebildet:
wobei der Betrag auf einen zwischen einem unteren Grenzwert von 0,2 und einem oberen Grenzwert von 5 liegenden Wert begrenzt wird. Dabei ist ebenfalls eine Division durch Null durch entsprechende Maßnahmen zu verhindern. Des Weiteren können kleine, gegen Null tendierende Werte des Stroms durch entsprechende Grenzwerte ersetzt werden, beispielsweise können Werte größer –0,1 A und kleiner 0 A durch einen Grenzwert von –0,1 A sowie Werte kleiner 0,1 A und größer 0 A durch einen Grenzwert von 0,1 A ersetzt werden.
Die Zeitkonstante T_filt des ersten Tiefpassfilters berechnet sich gemäß der nachstehenden Formel:
wobei T₀ eine Grundzeitkonstante von etwa 1200 s bezeichnet. Diese Grundzeitkonstante T₀ kann aber auch andere Werte betragen, beispielsweise kann sie zwischen 0 s und 2000 s in einem Schritt von beispielsweise 10 s variiert werden.
Die auf diese Weise gefilterte Quasiruhespannung U_{quasi_filt} wird ferner im Schritt 6 des Verfahrens (siehe 1) auf einen zwischen einem unteren Grenzwert und einem oberen Grenzwert liegenden Wert begrenzt, wobei der untere Grenzwert bevorzugt 11,4 V und der obere Grenzwert vorzugsweise 12,9 V betragen. Dabei kann bei dem Festlegen der Grenzwerte eine gewisse Freiheit gegeben sein, beispielsweise können die Grenzwerte zwischen 10 V und 14 V in einem Schritt von etwa 0,05 V variiert werden. Wie oben ausgeführt, wird die Quasiruhespannung U_quasi mittels des ersten Tiefpassfilters 10 gefiltert, dessen Zeitkonstante T_filt in Abhängigkeit einer Änderung der Quasiruhespannung U_quasi sowie in Abhängigkeit eines tatsächlich geflossenen Batteriestroms I_batt, und genauer gesagt eines gefilterten Batteriestroms I_filt, angepasst wird. Auf diese Art und Weise kann die Geschwindigkeit der Änderung des tatsächlichen Stromsflusses I_batt durch das Beobachten der Änderung der Quasiruhespannung U_quasi oder durch die Beobachtung eines Stroms I_quasi, welcher für die Änderung der Quasiruhespannung U_quasi verantwortlich gewesen wäre, nachgebildet werden. Ändert sich die Quasiruhespannung U_quasi beziehungsweise der dieser Änderung entsprechende Strom I_quasi zu schnell (deutlich schneller als der tatsächlich geflossene Batteriestrom I_batt), so muss die Zeitkonstante T_filt des ersten Tiefpassfilters 10 erhöht werden. Ändert sich hingegen die Quasiruhespannung U_quasi beziehungsweise der dieser Änderung entsprechende Strom I_quasi zu langsam (deutlich langsamer als der tatsächlich fließende Batteriestrom I_batt), so muss die Zeitkonstante T_filt des ersten Tiefpassfilters 10 reduziert werden. Hierdurch wird erreicht, dass sich der Verlauf der Änderung der Quasiruhespannung U_quasi, und genauer gesagt ein Verlauf des dieser Änderung entsprechenden Stroms I_quasi, einem Verlauf einer tatsächlichen Ladungsdifferenz oder eines tatsächlichen Stromflusses annähert. Jegliche, beispielsweise bei einer Stromintegration auftretenden Fehlmessungen könnten somit vermieden werden.
Mit erneutem Bezug auf 1 wird in Abhängigkeit der gefilterten Quasiruhespannung U_{quasi_filt} der Ladezustand SOC der Batterie in einem weiteren Schritt 7 bestimmt. Und zwar wird zunächst eine prozentuale, relative Säuredichte C_rel bestimmt:
wobei W_rel einen Gewichtungsparameter zwischen 1,0 bis 3,0 V (beispielsweise von 1,0 V; 1,1 V; 1,2 V ... 3,0 V, bevorzugt 1,3) bezeichnet. Der im Zähler der obigen Formel auftretende Wert von 11,4 V entspricht dem unteren Grenzwert der Quasiruhespannung U_quasi und kann gegebenenfalls angepasst werden. Die noch in der Batterie enthaltene Ladung (prozentual) ergibt sich dann mit: Qlad_aktiv = Kbatt·Crel[%],wobei K_batt einer Gesamtkapazität der Batterie entspricht. Dabei wird ein Standardwert der Gesamtkapazität von etwa 70 Ah verwendet (K_batt kann auch andere Werte annehmen, insbesondere Werte zwischen 50 und 150 Ah). Diese noch in der Batterie enthaltene Ladung Q_{lad_aktiv} entspricht somit einem prozentuellen Ladezustand SOC der Batterie. Diese Bestimmung des Ladezustands gilt bei einer Raumtemperatur. Gegebenenfalls kann eine Temperaturkompensation des Ladezustands durchgeführt werden.
Der Ladezustand SOC der Batterie wird dann in einem letzten Schritt 8 gemäß 1 ausgegeben.
Zusammenfassend wird das Verfahren gemäß der Druckschrift DE 102 57 588 B3 dahingehend weitergebildet, dass die berechnete, ungefilterte Prädiktionsspannung U_präd auf einen Wert einer Quasiruhespannung U_quasi zurückgerechnet wird, welche sich bei unbelasteter Batterie einstellen würde. Dieser Wert der Quasiruhespannung U_quasi wird über das erste Tiefpassfilter 10 gemittelt, dessen Zeitkonstante T_filt über eine Funktion berechnet wird, deren Eingangsgrößen die Änderung der Quasiruhespannung U_quasi und der tatsächlich geflossene Strom I_batt sind. Das Verhältnis der beiden Größen wird über eine mathematische Funktion (Wurzelfunktion) bewertet und mit einer Grundzeitkonstanten T₀ multipliziert. Die gefilterte Quasiruhespannung Q_{quasi_filt} wird dann über eine Ruhespannungsbeziehung in einen prozentualen Ladezustand SOC beziehungsweise Q_{lad_akiv} umgerechnet. In vorteilhafter Weise wird hierdurch den Nachteilen des Standes der Technik, insbesondere einer Stromintegration, entgegengekommen. Nämlich wird durch das erfindungsgemäße Verfahren unter anderem ein Effekt einer Säureschichtung der Batterie, bei welchem im Stand der Technik die tatsächliche Ruhespannung kein Indiz mehr für den Ladezustand der Batterie ist, mit berücksichtigt. Des Weiteren wird aufgrund der Bestimmung eines prozentualen Ladezustands SOC der Batterie eine Alterung der Batterie mit berücksichtigt.

1 bis 8: Schritte
10: erstes Tiefpassfilter
11: zweites Tiefpassfilter
12: Funktionsblock
^Ibatt: Batteriestrom
^Ifilt: gefilterter Batteriestrom
R_di: dynamischer Innenwiderstand
SOC: Ladezustand der Batterie
T_anlauf: Initialisierungswert von T_filt
T_batt: Batterietemperatur
T_filt: Zeitkonstante des ersten Tiefpassfilters
U_batt: Batteriespannung
U_präd: Prädiktionsspannung
U_{präd_filt}: gefilterte Prädiktionsspannung
U_quasi: Quasiruhespannung
U_{quasi_filt}: gefilterte Quasiruhespannung
U_{quasi_filt2}: doppelt gefilterte Quasiruhespannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10257588 B3 [0005, 0024, 0033, 0042]

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands (SOC) einer Batterie, mit den Schritten: – Erfassen eines aktuellen Werts einer Batteriespannung (U_batt) und eines aktuellen Werts eines Batteriestroms (I_batt) – Ermitteln eines aktuellen Werts eines dynamischen Innenwiderstands (R_di) der Batterie; – Ermitteln eines Werts einer für einen vordefinierten Wert eines Entladestroms (I_präd) der Batterie an dem dynamischen Innenwiderstands (R_di) abfallenden Spannung (U_ri) in Abhängigkeit wenigstens des aktuellen Werts des Batteriestroms (I_batt) – Ermitteln eines Werts einer Polarisationsspannung (U_pol) der Batterie; – Berechnen eines Werts einer Prädiktionsspannung (U_präd) für den vordefinierten Wert des Entladestroms (I_präd) der Batterie in Abhängigkeit wenigstens des aktuellen Werts der Batteriespannung (U_batt), des Werts der Polarisationsspannung (U_pol) und des Werts der an dem dynamischen Innenwiderstand (R_di) abfallenden Spannung (U_ri); – Ermitteln eines Werts einer einer Ruhespannung der Batterie in einem elektrisch unbelasteten Zustand entsprechenden Quasiruhespannung (U_quasi) in Abhängigkeit wenigstens des Werts der Prädiktionsspannung (U_präd); – Bestimmen des Ladezustands (SOC; Q_{lad_aktiv}) der Batterie in Abhängigkeit des Werts der Quasiruhespannung (U_quasi).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine in der Batterie enthaltene elektrische Ladung (Q_{lad_aktiv}) als Ladezustand (SOC) der Batterie berechnet wird, wobei die elektrische Ladung (Q_{lad_aktiv}) in Abhängigkeit einer relativen Säuredichte (C_rel) bestimmt wird, welche in Abhängigkeit der Quasiruhespannung (U_quasi) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Quasiruhespannung (U_quasi) gemäß der Formel berechnet wird:
wobei U_präd die Prädiktionsspannung, I_präd den vordefinierten Entladestrom der Batterie, R_di den dynamischen Innenwiderstand der Batterie, W_di einen Gewichtungsparameter sowie ki_ela und ik_ela vorbestimmte Parameter bezeichnen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der Quasiruhespannung (U_quasi) auf einen zwischen einem unteren Grenzwert und einem oberen Grenzwert liegenden Wert begrenzt wird, insbesondere auf einen zwischen einem Grenzwert von etwa 11,4 V und einem Grenzwert von etwa 12,9 V liegenden Wert begrenzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Quasiruhespannung (U_quasi) mittels eines ersten Tiefpassfilters (10) gefiltert wird und der Ladezustand (SOC) der Batterie in Abhängigkeit der gefilterten Quasiruhespannung (U_{quasi_filt}) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zeitkonstante (T_filt) des ersten Tiefpassfilters (10) während der Tiefpassfilterung angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitkonstante (T_filt) des ersten Tiefpassfilters (10) in Zeitabständen zwischen 160 ms bis 240 ms, insbesondere in Zeitabständen von etwa 200 ms, angepasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Initialisierungswert (T_anlauf) der Zeitkonstante (T_filt) des ersten Tiefpassfilters (10) für eine Initialisierungsphase der Tiefpassfilterung vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitkonstante (T_filt) des ersten Tiefpassfilters (10) in Abhängigkeit der gefilterten Quasiruhespannung (U_{quasi_filt}) und des Batteriestroms (I_batt), insbesondere eines gefilterten Batteriestroms (I_filt), während der Tiefpassfilterung angepasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Anpassen der Zeitkonstante (T_filt) des ersten Tiefpassfilters (10) verwendete gefilterte Quasiruhespannung (U_{quasi_filt}) mittels eines zweiten Tiefpassfilters (11) gefiltert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zeitkonstante des zweiten Tiefpassfilters (11) konstant ist, insbesondere 1 s beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zum Anpassen der Zeitkonstante (T_filt) des ersten Tiefpassfilters (10) eine Differenz (ΔU_{quasi_filt2}) eines aktuellen Werts der Quasiruhespannung (U_{quasi_filt2(t)}) und eines zeitlich vorher ermittelten Werts (U_{quasi_filt2(t-1)}) der Quasiruhespannung berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wert eines der Differenz (ΔU_{quasi_filt2}) der Quasiruhespannung entsprechenden Stroms (I_quasi) berechnet wird, wobei eine Abweichung des aktuellen Werts des Batteriestroms (I_batt), insbesondere eines gefilterten Batteriestroms (I_filt), von dem berechneten Wert des der Differenz (ΔU_{quasi_filt2}) der Quasiruhespannung entsprechenden Stroms (I_quasi) ermittelt wird, und die Zeitkonstante (I_filt) des ersten Tiefpassfilters (10) in Abhängigkeit der Abweichung angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Quotient (|Abw|) der Abweichung und des aktuellen Werts des Batteriestroms (I_batt), insbesondere eines gefilterten Batteriestroms (I_filt), berechnet wird, und die Zeitkonstante (T_filt) des ersten Tiefpassfilters (10) in Abhängigkeit einer Wurzelfunktion des Quotienten (|Abw|) angepasst wird.