DE102008040194A1

DE102008040194A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Absschätzung des Batterieladezustands

Info

Publication number: DE102008040194A1
Application number: DE102008040194A
Authority: DE
Inventors: Markus Beck; Marc Knapp; Roman Lahmeyer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-07-04
Filing date: 2008-07-04
Publication date: 2010-01-07
Also published as: WO2010000536A1

Abstract

Verfahren zur Abschätzung des Ladezustandes einer in einem Stromkreis mit wenigstens einem Verbraucher verbundenen Batterie, insbesondere einer Batterie eines Kraftfahrzeugs, mit den Schritten a) Einstellen des Batteriestroms auf einen vorgegebenen Sollwert; b) Messen der bei dem Sollwert auftretenden Batteriespannung; und c) Entscheiden des Ladezustandes anhand der gemessenen Batteriespannung.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft die Abschätzung des Ladezustands einer in einem Stromkreis mit wenigstens einem Verbraucher verbundenen Batterie, insbesondere der Batterie eines Kraftfahrzeugs. Der Innenwiderstand einer solchen Batterie ist von ihrem Ladezustand abhängig. Wenn zum Messen der Klemmenspannung ein schwacher Strom aus der Batterie gezogen wird, führt dies dazu, dass die gemessene Klemmenspannung in Abhängigkeit vom Ladezustand variiert. Dieser Effekt ist jedoch bei einer in einem Stromkreis eingebauten Batterie wie etwa der Batterie eines Kraftfahrzeugs nicht nutzbar, solange nicht gewährleistet werden kann, dass die Batterie zur Zeit einer Messung nicht durch Verbraucher belastet ist.
DE 10 2005 029 890 A1 schlägt daher ein Verfahren zur Abschätzung des Ladezustandes einer in einem Stromkreis verbundenen Batterie vor, bei dem die Impulsantwort der Batterie auf einen Stromimpuls ausgewertet wird.
Vorteile der Erfindung
Durch die vorliegende Erfindung wird ein alternatives Verfahren zur Ladezustandsabschätzung geschaffen, das mit einfachen Mitteln eine zumindest qualitative Abschätzung des Ladezustands einer Batterie erlaubt.
Die Schritte des Verfahrens sind

a) Einstellen des Batteriestroms auf einen vorgegebenen Sollwert;
b) Messen der bei dem Sollwert auftretenden Batteriespannung; und
c) Entscheiden des Ladezustandes anhand der gemessenen Batteriespannung.

Messtechnisch besonders einfach und exakt ist das Einstellen des Batteriestroms auf einen Sollwert von Null.
Um Rückwirkungen der Messung auf einen Verbraucher auszuschließen, der normalerweise wenigstens teilweise durch die Batterie gespeist wird, bzw. um den Leistungsbedarf dieses Verbrauchers während einer Messung zu decken, wird zum Einstellen des Batteriestroms zweckmäßigerweise die Ausgangsleistung einer mit der Batterie verbundenen zweiten Stromquelle geregelt.
Bei der zweiten Stromquelle handelt es sich vorzugsweise um einen Generator, der auch zum Laden der Batterie einsetzbar ist.
Da die zweite Stromquelle die Versorgung des Verbrauchers für die Zeit der Messung übernimmt, kann das erfindungsgemäße Verfahren bei eingeschal tetem Verbraucher durchgeführt werden. Wenn keine Abschätzung des Ladezustands stattfindet, das heißt vor und/oder nach den Schritten a) und b), wird vorzugsweise die Spannung an den Klemmen der Batterie auf einen Sollwert geregelt, um eine kontinuierliche Versorgung des Verbrauchers sicher zu stellen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit Hilfe eines Generator-Steuergeräts durchführbar, das gegenüber einem herkömmlicherweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzten Generator-Steuergerät nur geringer Anpassungen bedarf. So ist zusätzlich zu der an einem solchen Steuergerät üblicherweise vorhandenen Referenzsignalquelle für eine Batterie-Sollspannung, einem Eingang für eine Batterie-Istspannung und einer ersten Reglerstufe zum Ableiten einer Generator-Sollspannung von Batterie-Soll- und -Istspannung zusätzlich eine zweite Reglerstufe vorgesehen, die die Batterie-Sollspannung von dem Sollwert und einem Istwert des Batteriestroms ableitet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren.
Figuren
Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm des elektrischen Systems eines Kraftfahrzeugs;
2 ein Blockdiagramm der Steuerung des elektrischen Systems aus 1; und
3 eine typische Kennlinie der Batterie-Ausgangsspannung in Abhängigkeit von deren Ladezustand.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In dem Diagramm der 1 bezeichnet 1 einen Generator, 2 einen Generatorregler, der ein auf einer Leitung 3 empfangenes Steuersignal in Erregerströme für die Wicklungen des Generators 1 umsetzt, 4 eine Fahrzeugbatterie, 5 einen Batteriesensor, 6 eine Steuerschaltung zum Liefern eines Sollspannungssignals an den Generatorregler 2 und 7, 8 Verbraucher. Da die Verbraucher 7, 8 in einem fahrenden Kraft fahrzeug niemals alle ausgeschaltet sind und einzelne von ihnen über Schalter 9 der willkürlichen Kontrolle durch den Fahrer unterstehen, ist die Leistungsaufnahme der Verbraucher 7, 8 niemals Null und auch nicht langfristig zuverlässig vorhersagbar.
Der Aufbau der Steuerschaltung 6, die die wichtigsten Aspekte der vorliegenden Erfindung verkörpert, ist in 2 genauer dargestellt. Die Steuerschaltung 6 empfängt vom Batteriesensor 5 Messwerte des Batteriestroms I_ist, der Batteriespannung U_ist sowie gegebenenfalls der Temperatur T der Batterie 4. Ein Differenzverstärker 10 ist mit dem Signal der Ist-Stromstärke I_ist und einem Nullsignal am invertierenden beziehungsweise am nicht invertierenden Eingang beschaltet. Der Differenzverstärker 10 liefert somit ein je nach Vorzeichen des Batteriestroms I_ist positives oder negatives Ansteuersignal an einen Integral-Proportionalregler, bestehend aus einem Verstärker 11, einer Integratorstufe 12 und einem Addierer 13 zum Addieren der Ausgangssignale des Verstärkers 11 und der Integratorstufe 12. Um das temperaturabhängige Verhalten der Batterie 4 nachzubilden, können die Verstärkung des Verstärkers 11 sowie der Integrand der Integratorstufe 12 als Funktion der Batterietemperatur T vorgegeben sein.
Im stationären Zustand stellt sich am Ausgang des Addierers 13 eine Sollspannung für die Batterie 4 ein.
Ein zweiter Differenzverstärker 14 hat einen mit der Batterie-Sollspannung beschalteten nichtinvertierenden Eingang und einen mit der Istspannung U_Ist beschalteten invertierenden Eingang. An den Ausgang des Differenzverstärkers 14 ist ein weiterer Proportional-Integralregler mit Verstärker 15, Integratorstufe 16 und Addierer 17 angeschlossen. Auch hier können Verstärker 15 und Integratorstufe 16 mit dem Batterietemperatursignal T beschaltet sein, um einen temperaturabhängigen Korrekturterm U_diff zu erzeugen, der die Differenz zwischen der Batterie-Sollspannung und einer zu ihrer Erzeugung benötigten Generatorausgangsspannung angibt. Die in einem Addierer 18 aus der Batterie-Sollspannung und dem Korrekturterm U_diff gebildete Generator-Sollspannung dient zur Abfrage von dieser Sollspannung entsprechenden Ansteuerparametern des Generators 1 aus einer Tabelle 19. Wenn die Steuerschaltung 6 einen stationären Zustand erreicht hat, erzeugt somit der Generator 1 exakt so viel Strom, wie die Verbraucher 7, 8 und die Steuerschaltung 6 zu ihrem Betrieb benötigen. Die Batterie 4 ist unbelastet und wird auch nicht geladen. Die vom Batteriesensor 3 erfasste Istspannung der Batterie U_ist steht daher in einem eindeutigen Zusammenhang mit dem Ladezustand der Batterie 4.
Eine Kennkurve, die den Zusammenhang zwischen der vom Sensor 3 gemessenen Batteriespannung U_ist und dem Ladezustand der Batterie 4 beschreibt, ist in 3 dargestellt. Die Klemmenspannung der mit 12 Volt spezifizierten Batterie 4 ist im unbelasteten Zustand normalerweise höher als 12 Volt. Die voll geladene unbelastete Batterie erreicht eine Klemmenspannung von circa 12,7 Volt; bei einer Ladekapazität von 80% sind es noch 12,5 Volt. In diesem Bereich wird die Batterie als voll beurteilt. Bei einer Ladekapazität zwischen 55 und 80%, entsprechend einer Klemmenspannung von 12,2 bis 12,5 Volt, wird die Batterie als mittelvoll bewertet; darunter wird sie als leer beurteilt, weil die restliche gespeicherte Ladung nur noch bei einer stark abfallenden Klemmenspannung entnommen werden kann, die im normalen Betrieb deutlich unter 12 Volt liegt und ein normales Funktionieren der Verbraucher 7, 8 eventuell nicht mehr gewährleistet. Eine Tabelle 20 speichert im einfachsten Fall lediglich die für die Unterscheidung zwischen einer vollen und einer mittelvollen bzw. zwischen einer mittelvollen und einer leeren Batterie benötigten Spannungsgrenzwerte, hier also 12,5 V bzw. 12,2 V, und liefert als Ausgabewert den der Batteriespannung U_ist entsprechenden Ladezustand. Selbstverständlich können auch mehr Spannungsgrenzwerte gespeichert sein, um eine Unterscheidung zwischen einer größeren Zahl von Ladezuständen zu ermöglichen, oder es kann die Kennkurve der 3 gespeichert sein, damit die Tabelle 20 als Ausgabewert zu einem Messwert der Batteriespannung U_ist den enstprechenden Ladegrad der Batterie 4 in Prozent liefern kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005029890 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Abschätzung des Ladezustandes einer in einem Stromkreis mit wenigstens einem Verbraucher verbundenen Batterie, insbesondere einer Batterie eines Kraftfahrzeugs, mit den Schritten a) Einstellen des Batteriestroms auf einen vorgegebenen Sollwert; b) Messen der bei dem Sollwert auftretenden Batteriespannung; und c) Entscheiden des Ladezustandes anhand der gemessenen Batteriespannung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert des Batteriestroms im Wesentlichen Null ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einstellen des Batteriestroms die Ausgangsleistung einer mit der Batterie verbundenen zweiten Stromquelle geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stromquelle ein Generator ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es bei eingeschaltetem Verbraucher durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt b) und/oder vor dem Schritt a) die Batteriespannung auf einen Sollwert geregelt wird.
Generator-Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Referenzsignalquelle für eine Batterie-Sollspannung, einem Eingang für eine Batterie-Istspannung (U_ist) und einer ersten Reglerstufe (14–18) zum Ableiten einer Generator-Sollspannung von Batterie-Soll- und -Istspannung, dadurch gekennzeichnet, dass als die Referenzsignalquelle eine zweite Reglerstufe (10–13) vorgesehen ist, die die Batterie-Sollspannung von dem Sollwert (0) und einem Istwert des Batteriestroms (I_ist) ableitet.