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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Identifizierung
eines Ladezustands eines Akkumulators, insbesondere eines Kraftfahrzeugs,
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung
betrifft außerdem eine Einrichtung zur Identifizierung
eines Ladezustands eines Akkumulators, insbesondere eines Kraftfahrzeugs,
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2.
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Aus
der
DE 10 2007
009 041 A1 ist ein Gerät zum Berechnen einer Größe,
welche den Ladezustand einer Fahrzeugbatterie anzeigt, bekannt.
Die Batterie, deren Ladezustand ermittelt werden soll, dient dabei
zur Versorgung eines Anlassers zum Anlassen einer Fahrzeugmaschine
mit Energie. Im bekannten Gerät werden eine Vielzahl von
Paaren von Daten, die aus einem Strom und einer Spannung der Batterie
gebildet sind, in vorbestimmten Sampling-Intervallen während
einer Ankurbelungsperiode der Maschine im Ansprechen auf den Startvorgang
des Anlassers gesammelt. In Intervallen wird ein Wert eines Innenwiderstands
der Batterie basierend auf der Vielzahl der Paare der Daten aus
Strom und Spannung berechnet. Der Innenwiderstand der Batterie entspricht
dabei einer Impedanz der Batterie. Unter Berücksichtigung
der Batterieimpedanz kann nun ein aktueller Ladezustand der Batterie
bestimmt werden. Damit der aktuelle Ladezustand der Batterie präzise und
zuverlässig angezeigt werden kann, wird beim bekannten
Gerät die Impedanz der Batterie unter Verwendung einer
Offenspannungs-Differenz korrigiert. Die Offenspannungs-Differenz
wird dabei aus einer Differenz zwischen einer Pseudo-Offenkreis-Spannung
der Batterie vor dem Startvorgang des Anlassers und einer Pseudo-Offenkreis-Spannung
der Batterie nach der Ankurbelungsperiode berechnet.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem,
für ein Verfahren bzw. für eine Einrichtung der
eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform
anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass mit vergleichsweise einfachen
Mitteln eine relativ zuverlässige Aussage über
den Ladezustand des Akkumulators getroffen werden kann, und zwar
insbesondere auch bei alternden Akkumulatoren sowie unabhängig
von der Stromstärke und der Batterietemperatur.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände
der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen transienten
Innenwiderstand des Akkumulators als Akkumulatorimpedanz zu verwenden.
Beim transienten Akkumulatorinnenwiderstand handelt es sich um denjenigen
Akkumulatorinnenwiderstand, der sich aus einer Spannungsänderung
als unmittelbare Systemantwort auf einen Stromsprung berechnen lässt.
Diese unmittelbare Systemantwort des Akkumulators liegt bei Auftreten
eines Stromsprungs quasi sofort vor, nämlich im Millisekunden- oder
im Mikrosekundenbereich und stellt eine Größe dar,
die noch kein Zeitverhalten besitzt. Mit anderen Worten, der Akkumulator
reagiert auf einen Stromsprung mit einer Spannungsänderung,
die zunächst konstant ist und sich erst danach in Abhängigkeit
unterschiedlicher Einflussfaktoren verändert. Es hat sich
gezeigt, dass dieser transiente Akkumulatorinnenwiderstand eine
besonders zuverlässige Basis für die Bestimmung
des aktuellen Ladezustands des Akkumulators bildet. Dabei kann der
transiente Innenwiderstand des Akkumulators während des
Betriebs eines Fahrzeugs permanent überwacht werden. Beispielsweise
kann immer dann ein Wert für den transienten Akkumulatorinnenwiderstand
ermittelt werden, wenn am Akkumulator ein Stromsprung feststellbar
ist, der einen vorbestimmten Wert erreicht oder übersteigt.
Somit ist die vorgeschlagene Vorgehensweise insbesondere nicht auf
einen Startvorgang des Anlassers zum Anlassen einer Fahrzeugmaschine
angewiesen. Das vorgeschlagene Verfahren bzw. die vorgeschlagene
Einrichtung eignet sich somit auch für Fahrzeugbetriebszustände,
bei denen lange Zeit kein Anlassvorgang auftritt, wie zum Beispiel
bei Langstreckenfahrten oder bei Hybrid-Fahrzeugen im Elektromodus,
sowie für Fahrzeuge, die ohne Brennkraftmaschine auskommen,
wie zum Beispiel reine Elektrofahrzeuge. Einen Algorithmus der den
transienten Innenwiderstand berechnen kann wird beispielsweise in
US 7199588 B2 beschrieben.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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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.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
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Die
einzige 1 zeigt eine Einrichtung zur Ladezustandsidentifizierung
und veranschaulicht ein zugehöriges Verfahren.
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Entsprechend 1 umfasst
eine Einrichtung 1, mit deren Hilfe ein Ladezustand eines
hier nicht dargestellten Akkumulators, vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug,
identifiziert werden kann, eine Berechnungseinheit 2, die
zur Durchführung des weiter unten näher erläuterten
Identifizierungsverfahrens ausgestaltet bzw. programmiert ist. Hierzu
kann die Berechnungseinheit 2 mehrere Funktionsblöcke 3 bis 7 aufweisen,
die einzelnen, im Folgenden näher erläuterten
Verfahrensschritten zugeordnet werden können. Mit anderen
Worten, die einzelnen Funktionsblöcke 3 bis 7 sind
ihrerseits so ausgestaltet bzw. programmiert, dass sie die nachfolgend
erläuterten Verfahrensschritte durchführen können.
Die Berechnungseinheit 1 ist an einen Akkumulator-Bus 8,
insbesondere ein CAN-Bus oder ein LIN-Bus, des Fahrzeugs angeschlossen,
wodurch die Berechnungseinheit 2 Zugriff auf Daten und
Signale der jeweiligen Fahrzeugbatterie bzw. des jeweiligen Akkumulators hat,
bei dem es sich insbesondere um einen Blei-Säure-Akkumulator
handeln kann. Zu den für das Verfahren benötigten
Eingangsinformationen gehören die Akkumulatorspannung,
der Akkumulatorstrom, die mittlere Akkumulatorsäuretemperatur
und der bereits erwähnte transiente Batterieinnenwiderstand.
Im Beispiel hat jeder der Funktionsblöcke 3 bis 7 Zugriff
auf die Bus-Daten. Im Beispiel der 1 ist hierzu
exemplarisch jeder einzelne Funktionsblock 3 bis 7 an
den Akkumulator-Bus 8 angeschlossen. Während die
Berechnungseinheit 2 eingangsseitig an den Akkumulatorbus 8 angeschlossen
ist, liefert sie ausgangsseitig bei 9 den aktuellen Ladezustand des
Akkumulators SOC (State Of Charge). Dieser aktuelle Ladezustand
SOC ist dabei auf den aktuell nutzbaren Bereich des Akkumulators
bezogen, der beispielsweise die Temperatur, das Alter und die aktuelle
Belastung des Akkumulators berücksichtigt.
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Die
Berechnungseinheit
2 bzw. das damit realisierbare Verfahren
bestimmen den aktuellen Ladezustand SOC unter der Berücksichtigung
einer Impedanz des Akkumulators. Dabei wird als Akkumulatorimpedanz
ein transienter Innenwiderstand des Akkumulators verwendet. Dieser
lässt sich im Gebrauch des Akkumulators in Abhängigkeit
von Spannungsänderungen beim Auftreten vorbestimmter Stromänderungen
als unmittelbare Systemantwort ermitteln, die noch kein Zeitverhalten
zeigt. Dieser transiente Innenwiderstand kann zum Beispiel mit Hilfe
des Verfahrens aus
US 7199588 ermittelt
werden.
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Im
ersten Funktionsblock 3 wird ein minimaler transienter
Akkumulatorinnenwiderstand IT_RDIMIN identifiziert. Bei voll aufgeladenem
Akkumulator liegt der minimale transiente Akkumulatorinnenwiderstand
vor, was vom ersten Funktionsblock 3 festgestellt werden
kann. Dieser ist unter anderem Abhängig von aktuellen mittleren
Akkumulatorsäuretemperatur und dem aktuellem Akkumulatorgesundheitszustand.
Ferner ermöglicht der erste Funktionsblock 3 zweckmäßig
eine Nachführung des minimalen transienten Akkumulatorinnenwiderstands
bezüglich der aktuellen Akkumulatortemperatur. Darüber
hinaus kann der erste Funktionsblock 3 den minimalen transienten
Akkumulatorinnenwiderstand auch hinsichtlich des aktuellen Akkumulatorgesundheitszustands
nachführen. Diese Berücksichtigung des Gesundheitszustands,
also insbesondere der Alterung des Akkumulators lässt sich
mit Hilfe des ersten Funktionsblocks 3 insbesondere dadurch
realisieren, dass immer wieder der minimale Akkumulatorinnenwiderstand
ermittelt bzw. identifiziert wird, wodurch automatisch Alterungsvorgänge
und dergleichen des Akkumulators berücksichtigt werden
können. Im ersten Funktionsblock 3 wird somit
eine Identifikation und Nachführung des minimalen transienten Akkumulatorinnenwiderstands
IT_RDIMIN durchgeführt (Impedanz Tracing IT). Der minimale
transiente Akkumulatorinnenwiderstand stellt einen typischen Kennwert
des Akkumulators dar und wird für die Berechnung im zweiten
Funktionsblock 4 benötigt.
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Im
zweiten Funktionsblock
4 wird aus dem aktuellen transienten
Akkumulatorinnenwiderstand und aus dem minimalen transienten Akkumulatorinnenwiderstand
IT_RDIMIN in Verbindung mit weiteren Signalen des Akkumulator-Busses
8 der
aktuelle Ladezustand SOC bezogen auf den aktuell nutzbaren Bereich
des Akkumulators berechnet. Der im zweiten Funktionsblock
4 berechnete
Ladezustandswert wird dabei mit IRP_SOC bezeichnet. In diesem Wert
sind jedoch noch keine Störgrößen, wie
zum Beispiel eine Akkumulatorgasung, berücksichtigt. Er ist
daher noch nicht für eine präzise und zuverlässige Angabe
des Akkumulatorladezustands SOC geeignet. Diese im zweiten Funktionsblock
4 durchgeführte
Berechnung kann zum Beispiel mit Hilfe des Verfahrens aus der
DE 102008049102.0 :
Verfahren zur Ermittlung von variablen Akkumulatorkenngrößen. durchgeführt
werden.
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Im
dritten Funktionsblock 5 wird zumindest eine Störgröße
ermittelt, die sich auf den aktuellen Ladezustand SOC auswirkt.
Bevorzugt ist dabei die Ermittlung der Akkumulatorgasung bei Blei-Säure Akkumulatoren.
Dementsprechend enthält der dritte Funktionsblock 5 bevorzugt
ein Gasungsmodell (Gas Emission Model GEM). Im einfachsten Fall
besteht dieses Modell aus einem Kennfeld. Alternativ kann es aus
mindestens einer physikalischen bzw. mathematischen Funktion bestehen.
Ebenso sind Kombinationen aus wenigstens einem Kennfeld und wenigstens einer
Funktion möglich. Zur Berechnung der jeweiligen Störgröße
greift der dritte Funktionsblock 5 ebenfalls auf den Akkumulator-Bus 8 zu.
Ausgangsseitig wird dann eine Störgröße
bereitgestellt, die hier mit GEM_Q bezeichnet wird. Die Akkumulatorgasung führt
bei der Impedanz-Rückprojektion zu einem Fehler, der durch
Berücksichtigung dieser Störgröße
wieder eliminiert oder ausgeblendet werden kann. Die Ausgangsgröße
des Gasungsmodells bzw. des dritten Funktionsblocks 5 kann
beispielsweise die aktuelle Gasungsmenge oder der durch die Gasung
aktuell entstehende Einfluss auf die Impedanz-Rückprojektion
sein.
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Im
vierten Funktionsblock 6 wird ein Gewichtungsindikator
(Confidence Indicator CI) ermittelt. Hierzu ist der vierte Funktionsblock 6 eingangsseitig zur Übermittlung
des vorläufigen aktuellen Akkumulatorladezustands IRP_SOC
an den zweiten Funktionsblock 4 und zur Übermittlung
der Störgröße GEM_Q an den dritten Funktionsblock 5 und
zum Einlesen bestimmter Akkumulatordaten an den Akkumulator-Bus 8 angeschlossen.
Ausgangsseitig liefert der vierte Funktionsblock 6 einen
Vertrautheitsgrad CI_W. Im vierten Funktionsblock 6 wird
anhand der Eingangsgrößen Akkumulatorspannung,
Akkumulatorstrom, Akkumulatortemperatur, Akkumulatorgasung, Akkumulatorinnenwiderstand
sowie aus dem Ladezustandswert der Rückprojektion ein Vertrautheitsgrad
bezüglich des Ladezustandswerts der Rückprojektion
berechnet.
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Im
fünften Funktionsblock 7 erfolgt eine modellbasierte
Filterung des vorläufigen aktuellen Ladezustands IRP_SOC
des zweiten Funktionsblocks 4 mit dem Ladezustand eines
stark vereinfachten Akkumulatormodells unter Berücksichtigung
des Vertrautheitsfaktors CI_W des vierten Funktionsblocks 6.
Das im fünften Funktionsblock 7 hinterlegte Akku mulatormodell
berechnet auf Basis einer Stromintegration ebenfalls einen Wert
für den aktuellen Ladezustand bezogen auf den aktuell nutzbaren
Bereich des Akkumulators. Hierbei werden von diesem Akkumulatormodell
in an sich üblicher Weise unter anderem Stromstärke,
Stromrichtung und Akkumulatortemperatur berücksichtigt.
Dieses Akkumulatormodell wird im fünften Funktionsblock 7 in
Abhängigkeit des zuvor im zweiten Funktionsblock 4 ermittelten vorläufigen
aktuellen Ladezustands, der ebenfalls auf den aktuell nutzbaren
Bereich des Akkumulators bezogen ist, korrigiert, wobei hierbei
der Vertrautheitsgrad, der im vierten Funktionsblock 6 ermittelt worden
ist, berücksichtigt wird, so dass es zu einer entsprechend
geringen oder starken Korrektur kommt. Wird beispielsweise der Impedanzrückprojektion
gemäß dem zweiten Funktionsblock 4 relativ stark
vertraut, wird auch dem im zweiten Funktionsblock 4 mit
Hilfe des transienten Akkumulatorinnenwiderstands berechneten aktuellen
Ladezustand, der auf den aktuell nutzbaren Bereich des Akkumulators bezogen
ist, entsprechend stark vertraut, wodurch diesem impedanzbasierten
berechneten Ladezustand eine entsprechend hohe Gewichtung zukommt und
das Modell stark korrigiert wird. In anderen Fällen, die
jedoch vergleichsweise selten und ggf. kurzzeitig auftreten, kann
ein relativ niedriger Vertrautheitsgrad vorliegen, beispielsweise
dann, wenn eine erhöhte Akkumulatorgasung festgestellt
werden kann. Kann aufgrund der jeweiligen Störgröße,
insbesondere Akkumulatorgasung, dem ermittelten Wert der auf den
nutzbaren Bereich des Akkumulators bezogenen Ladezustandsgröße,
die aus der Akkumulatorinnenwiderstandsberechnung hervorgeht, wenig
vertraut werden, wird das Modell weniger stark korrigiert. Dementsprechend
läuft das Akkumulatormodell dann umso freier.
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Diese
Art der Filterung entspricht dem so genannten Beobachterprinzip
(Observer OS) mit der Erweiterung der adaptiven Korrektur in Abhängigkeit des
Vertrautheitsgrads bezüglich des Ladezustandswerts der
Rückprojektion. Aufgrund dieser Art der Filterung kommt
es zu keinem Phasenverzug. Am Ausgang der Berechnungseinheit 2 steht
ein vergleichsweise zuverlässiger und robuster Ladezustand
SOC bezogen auf den aktuell nutzbaren Bereich des Akkumulators zur
Verfügung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007009041
A1 [0002]
- - US 7199588 B2 [0005]
- - US 7199588 [0011]
- - DE 102008049102 [0013]