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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung
von Beanspruchungsdaten einer Batterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie.
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Aus
der
EP 1 450 173 A2 ist
ein Verfahren zur Ermittlung einer Alterung einer Batterie bekannt. Dabei
werden zur Ermittlung Lade- und Entladezyklen der Batterie nach
Anzahl und Tiefe einer Ladung und Entladung erfasst. Für
jeden der Lade- und Entladezyklen wird anhand einer für
einen jeweiligen Batterietyp charakteristischen Alterungskennlinie
ein Alterungskennwert ermittelt. Die einzelnen Alterungskennwerte
werden dann zur Alterung der Batterie aufsummiert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren
und eine verbesserte Vorrichtung zur Ermittlung von Beanspruchungsdaten
einer Batterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie, anzugeben.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des
Verfahrens durch die im Anspruch 1 und hinsichtlich der Vorrichtung
durch die im Anspruch 6 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung von
Beanspruchungsdaten einer Batterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie,
sieht vor, dass Betriebsgrößen der Batterie zeitabhängig
erfasst werden, die nach einer Momentanwertzählung, eines Rainflow-Verfahrens
und/oder eines Belastungsintegrals zur Ermittlung von Belastungskollektiven
klassiert werden.
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Als
Betriebsgrößen der Batterie werden insbesondere
ein Ladezustand der Batterie, ein die Batterie aufgrund eines Ladens
und/oder Entladens durchfließender Strom und/oder eine
Temperatur, insbesondere eine Batterietemperatur erfasst.
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Dabei
basiert das erfindungsgemäße Verfahren im Wesentlichen
auf der Ermittlung der Belastungskollektive zur Erfassung von Basisdaten über einen
Lebenslauf der Batterie hinweg, um beispielsweise eine Betriebsstrategie
der Batterie zu optimieren sowie Ausfallpräventionen zu
leisten.
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Im
Allgemeinen dienen Belastungskollektive einer Verbesserung einer
Transparenz eines Feldgeschehens, einer Einsatzart sowie weiterer
Betriebsbedingungen der Batterie. Insbesondere werden nach Ermittlung
der Beanspruchungsdaten die Belastungskollektive analysiert.
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Im
Fall gehäuft auftretender Beanstandungs- und/oder Fehlerfälle
der Batterie ermöglicht die anhand der Belastungskollektive
ermittelten spezifischen Belastungssituationen eine gezielte Ursachenanalyse.
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Darüber
hinaus können die anhand des erfindungsgemäßen
Verfahrens ermittelten Belastungskollektive in vorteilhafter Weise
als Datenbasis für Verschleißanalysen der Batterie
verwendet werden, in dem Einsatzarten und ein gemessener Alterungsverlauf
der Batterie miteinander korreliert werden. Ein so ermittelter Alterungszusammenhang
wird insbesondere für eine Optimierung der Betriebsstrategie der
Batterie sowie für eine optimierte Wartungsplanung der
Batterie herangezogen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Dabei
zeigt:
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1 ein
Blockschaltbild zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
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Einander
entsprechende Teile sind in der Figur mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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In 1 ist
eine Batterie B, insbesondere eine Fahrzeugbatterie eines Hybrid-
und/oder Elektrofahrzeuges, dargestellt. Insbesondere handelt es sich
bei der Batterie B um eine Traktionsbatterie, die auch Antriebs-
und/oder Zyklenbatterie genannt wird. Diese dient als Energielieferant
elektrisch angetriebener Fahrzeuge und/oder als Verbraucherbatterie, z.
B. für Kühlung, Licht und/oder Heizung.
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Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, dass Beanspruchungsdaten der Batterie B ermittelt werden, in
dem Betriebsgrößen der Batterie B zeitabhängig erfasst
werden. Unter Betriebsgrößen sind insbesondere
ein Strom I, ein Ladezustand LZ, ein Ladestrom LS und/oder eine
Temperatur, insbesondere eine Batterietemperatur T zu verstehen.
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Insbesondere
werden die Betriebsgrößen anhand von im Fahrzeug
angeordneter Erfassungseinheiten ermittelt. Ermittelte Daten der
Betriebsgrößen werden einer Steuereinheit SE zugeführt,
in der anhand von Algorithmen die Beanspruchungsdaten zur Ermittlung
bzw. zum Bestimmen von Belastungskollektiven BK der Batterie B klassiert
werden.
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Insbesondere
bezeichnet der Begriff Belastungskollektiv BK eine Summe aller Belastungen,
der die Batterie B aufgrund vorherrschender Betriebsbedingungen
ausgesetzt ist und durch welche die Batterie B thermisch, mechanisch
und/oder elektrochemisch belastet ist.
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Als
Algorithmen werden insbesondere eine einparametrische und/oder zweiparametrische
Momentanwertzählung MWZ1, MWZ2, ein Rainflow-Verfahren
RV und/oder ein Belastungsintegral BI, die aus dem Stand der Technik
bekannt sind, verwendet. Diese Verfahren ermöglichen es,
Zeitverläufe beanspruchender Betriebsgrößen,
die fahrzeugseitig als Prozessgrößen vorliegen,
derart stark zu verdichten, dass eine Erfassung einer Beanspruchung
der Batterie B mittels der Steuereinheit SE über eine gesamte
Batterielebensdauer durchgeführt werden kann.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Ermittlung
von Belastungskollektiven BK zur Gewinnung von Basisdaten über
die Batterielebensdauer, um insbesondere einen Beitrag zur Optimierung
der Batterie B und/oder zur Ausfallprävention zu leisten.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass mittels
eines Zählverfahrens, als ein in der Steuereinheit hinterlegter
Algorithmus, insbesondere mittels der zweiparametrischen Momentanwertzählung MWZ2,
eine Klassierung durchgeführt wird. Dabei wird als ein erster
Parameter ein Strom I und als ein zweiter Parameter eine Temperatur,
insbesondere eine Batterietemperatur T, zu einer selben Zeit erfasst.
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Die
zweiparametrische Momentanwertzählung MWZ2 dient der Erfassung
der Dauer des gleichzeitigen Einwirkens bestimmter Batterietemperaturen
bei bestimmten Stromhöhen.
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Die
Stromhöhe bezeichnet hierbei einen (vorzeichenbehafteten)
Stromfluss, der die Batterie B beim Laden und beim Entladen durchfließt.
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Dabei
werden in vorteilhafter Weise auch kurze ”Erholphasen” der
Batterie B, d. h. Leerlaufzeiten während eines Fahrbetriebes
mit einem fließenden Strom I von ungefähr gleich ”0” erfasst.
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Insbesondere
liegt hinsichtlich des Stromes I als erster Parameter und hinsichtlich
der Batterietemperatur T als zweiter Parameter eine Klasseneinteilung
vor, wobei einer jeweiligen Klasse eine Klassennummer zugeordnet
ist.
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Diese Überwachungsfunktion
basiert auf einer ”kalendarischen Alterung” der
Batterie B, bei der Einwirkzeiten unterschiedlicher Batterietemperaturen
T und einer zusätzlichen Wirkung des Stromes I als eine
weitere, die Alterung bestimmende Einflussgröße,
erfasst werden.
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”Kalendarische
Alterung” der Batterie B findet sowohl im Fahrbetrieb als
auch bei Fahrzeugstillstand statt.
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Bei
der zweiparametrischen Momentanwertzählung MWZ2 werden
der Strom I und die Batterietemperatur T in festen Zeitabständen
zeitgleich erfasst und einer einem Wertepaar entsprechenden Zelle
einer Häufigkeitsmatrix hochgezählt. Ein Klasseninhalt
ist somit eine Zählsumme, also eine Gesamtverweilzeit eines
gleichzeitigen Aufenthaltes des ersten Parameters, des Stromes I,
und des zweiten Parameters, der Batterietemperatur T in einer betrachteten
Verbundklasse. Hierzu gibt eine Häufigkeit einer Zählung
pro Klasse ein Maß für eine Verweildauer in dieser
Klasse an.
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Einer
Temperatureinwirkung auf die Batterie B bei einem Fahrzeugstillstand,
insbesondere beim Parken, wird aufgrund einer inaktiven Kühlung
eine besondere Bedeutung bei Ermittlung der Belastungskollektive
BK zugesprochen.
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Hierzu
sieht das erfindungsgemäße Verfahren in Gewinn
bringender Weise vor, die Batterietemperatur im Fahrzeugstillstand,
d. h. beim Parken (Strom I gleich „0” und geöffnete
Schütze), anhand einer einparametrischen Momentanwertzählung MWZ1
zu erfassen, wobei vorgesehen ist, dass die Steuereinheit SE zyklisch
(z. B. in Zeitabständen von 1 Stunde) aktiviert wird bzw. ”aufwacht” und
die erfasste Batterietemperatur T klassiert.
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Ferner
wird anhand der zweiparametrischen Momentanwertzählung
MWZ2 ein Ladezustand LZ der Batterie B in Abhängigkeit
der Batterietemperatur T ermittelt. Dabei ist es unerheblich, ob
das Fahrzeug steht oder fährt. Folglich beinhaltet die
Klassierung die Situation des Fahrzeugstillstandes bzw. Parken, wobei
beim Fahrzeugstillstand die vorklassierten Batterietemperaturwerte,
die anhand der einparametrischen Momentanwertzählung MWZ1
erfasst werden, berücksichtigt werden.
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Diese Überwachungsfunktion
basiert ebenfalls auf der ”kalendarischen Alterung”,
die mit dem Ladezustand LZ der Batterie B als eine weitere Einflussgröße
kombiniert wird.
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Weiterhin
sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, eine
Klassierung anhand des so genannten Rainflow-Verfahrens RV von Ladezustandszyklen
der Batterie B durchzuführen. Das Rainflow-Verfahren RV
dient einer Erfassung von Ladezustandsamplituden und Ladezustandsarbeitspunkten von
Ladezustandsschwingspielen, wobei als Ladezustandsschwingspiel ein
geschlossener Lade-/Entladezyklus der Batterie B zu verstehen ist.
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Der
Einsatz des Rainflow-Verfahrens RV zur Klassierung der Ladezustände
LZ der Batterie B stellt besonders vorteilhaft sicher, dass Lade-
und/oder Entladezyklen in deren Gesamtheit erkannt werden, auch
wenn diese von ”Zwischenschwingungen” überlagert
bzw. unterbrochen sind.
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Beispielsweise
startet ein Fahrzeug einen Fahrbetrieb mit einem Ladezustand LZ
der Batterie B von 60%. Während des Fahrbetriebes entlädt
sich die Batterie B auf einen Ladezustand LZ von 40%, wobei sich
der Ladezustand LZ der Batterie B z. B. durch einen Bremsvorgang
wieder auf 60% erhöht. Entsprechend diesem Ausführungsbeispiel
beträgt eine so genannte Hubamplitude des Ladezustandschwingspiels
20%.
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Eine
derartige Überwachungsfunktion ist notwendig, um die so
genannte ”Zyklenalterung” der Batterie B zu erfassen,
welche auf der Beanspruchung der Batterie durch wiederholtes Laden
und Entladen beruht. Hierbei ist die Anzahl der Lade-/Entladezyklen
insbesondere als Funktion der Hubamplituden und des Ladezustandes
LZ von Bedeutung.
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Das
Rainflow-Verfahren RV kann durch die Vorstellung eines Regenfließens
veranschaulicht und erläutert werden. Hierbei wird ein
Regenfluss angenommen, der stets an einer Innenseite von lokalen Minima
und/oder lokalen Maxima zu fließen beginnt, wobei eine
Fallrichtung des Regensfließens eine Zeitachse, insbesondere
eine x-Achse eines zweidimensionalen Koordinatensystems, ist. Durch
bestimmte Bedingungen wird ein Fließvorgang gestoppt, was
einer Erkennung einer Schwingbreite eines Halbzyklus entspricht.
Zwei Halbzyklen mit einer gleichen Schwingbreite und einem gemeinsamen
Extrempunkt ergeben einen Vollzyklus bzw. ein Vollschwingspiel.
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Des
Weiteren wird in der Steuereinheit SE ein Batterie-Ladestromintegral,
welches vom Prinzip her ein Belastungsintegral BI darstellt und
welches durch Integration des Stromes I über der Zeit ermittelt wird.
Diese Überwachungsfunktion dient einer Erfassung einer
Grundbeanspruchung der Batterie B in Form einer aufgenommenen und
einer zur Verfügung gestellten Gesamtladungsmenge. Dabei
werden in besonders vorteilhafter Weise auch sehr kleine Lade- und
Entladeamplituden erfasst.
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In
einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens kann die einparametrische Momentanwertzählung
MWZ2 zusätzlich oder alternativ auch für eine
Spannungsklassierung zur Erfassung von Spannungen der Batterie B
durchgeführt werden. Dabei werden vorzugsweise sehr kleine
und/oder große Spannungen erfasst, welche die Alterung
der Batterie B besonders beeinflussen.
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Die
oben aufgeführten Überwachungsfunktionen des erfindungsgemäßen
Verfahrens werden bevorzugt derart ausgelegt, dass alle Größen
der Beanspruchungskollektive BK der Batterie B einheitlich in einem
vorgebbaren Abtastrhythmus, beispielsweise von 0,1 Sekunden gleichzeitig
erfasst werden.
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Dabei
kann für eine fahrzeugseitige Anwendung das Auslesen aus
einem nicht flüchtigen Speicher, wie z. B. EPROM (Erasable
Programable Read Only Memory), beispielsweise kurz nach einem Motorstart
und ein Speichern z. B. im Nachlauf eines Abschaltens eines Antriebes
des Fahrzeuges erfolgen.
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Hierzu
ist beispielsweise eine Diagnoseschnittstelle, die z. B. an der
Steuereinheit angeordnet ist, vorgesehen, über die die
Belastungskollektive BK ausgelesen werden können.
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In
besonders vorteilhafter Weise kann eine Ermittlung einer Beanspruchung
der Batterie B ohne zusätzliche Sensoren und/oder Gerätekomponenten durchgeführt
werden, wodurch keine Zusatzkosten entstehen sowie potentielle Fehlerquellen
ausgeschlossen werden können. Darüber hinaus benötigt eine
Speichereinheit der Steuereinheit SE einen niedrigen Ressourcenbedarf
an Rechenleistung und Speicherplatz, wodurch das Verfahren bevorzugt
für einen fahrzeugseitigen Einsatz geeignet ist.
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Anhand
des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine aussagekräftige
Datenbasis erzeugt, die es ermöglicht, Hochvolt-Batteriesysteme
optimal auszulegen, Fehler und Ursachen im Feld zu erkennen und einen
Zusammenhang zwischen Einsatzart und Alterung der Batterie B für
eine optimale Betriebsstrategie und eine Serviceplanung der Batterie
B zu analysieren.
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Darüber
hinaus können die Belastungskollektive BK als Datengrundlage
für Verschleißanalysen verwendet werden, in dem
Einsatzarten und ein gemessener Alterungsverlauf miteinander korreliert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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