DE102010017504A1

DE102010017504A1 - Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands einer auf Lithium-Technologie basierenden KFZ-Starterbatterie

Info

Publication number: DE102010017504A1
Application number: DE102010017504A
Authority: DE
Inventors: Dennis Berger
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2010-06-22
Filing date: 2010-06-22
Publication date: 2011-12-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Ladezustands einer Batterie mittels einer Kombination aus Integration von der Batterie zu- und abgeführtem Strom, Ladezustandsbestimmung der Batterie über eine Batterie spezifische Ruhespannung und Ladezustandsbestimmung der Batterie über Batterie spezifische Lastkennlinien, wobei jeweilige Ergebnisse der Stromintegration und der Ladezustandsbestimmungen zusammengeführt werden und daraus eine Aussage über den tatsächlichen Ladezustand der Batterie abgeleitet wird.

Description

Die folgende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Ladezustands einer Batterie, wobei die Batterie auf Lithium-Technologie basiert.
Batterien basierend auf Lithium-Technologie, im Folgenden als Lithium-Batterien bezeichnet, sollen zusehends vermehrt auch im KFZ-Bereich eingesetzt werden. Lithium-Batterien sind, verglichen mit konventionellen Systemen wie Alkali-Mangan, Blei-Säure oder Nickel/Cadmium eine sehr junge Technologie. Lithium-Batterien zeichnen sich im Vergleich zu anderen bekannten Batteriesystemen insbesondere durch weitaus höhere spezifische Energie und Energiedichte aus. Ihr Potential ist, insbesondere im Hinblick auf die ihnen zugrunde liegende Zellchemie, noch bei weitem nicht ausgeschöpft. Da Lithium-Batterien nun auch vermehrt optional als KFZ-Starterbatterien zum Einsatz kommen sollen, ist hier eine an die den Lithium-Batterien zugrunde liegende Zellchemie angepasste Ermittlung eines entsprechenden Batteriezustandes erforderlich. Die Zellchemie der Lithium-Batterien unterscheidet sich erheblich von bisher im KFZ-Bereich verwendeten Blei-Säure-Batterien. Demnach war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren vorzusehen, um einen Ladezustand einer auf Lithium-Technologie basierenden KFZ-Starterbatterie zuverlässig bestimmen zu können.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Ermittlung eines Ladezustands einer Batterie bereitgestellt, wobei der Ladezustand der Batterie mittels einer Kombination aus Integration eines der Batterie zu- und abgeführten Stroms, Ladezustandsbestimmung der Batterie über eine batteriespezifische Ruhespannung und Ladezustandsbestimmung der Batterie über batteriespezifische Lastkennlinien ermittelt wird. Dabei werden die jeweiligen Ergebnisse der Stromintegration und der Ladezustandsbestimmungen zusammengeführt, woraus eine Aussage über den tatsächlichen Ladezustand der Batterie gemacht wird.
Vorzugsweise werden die jeweiligen Ergebnisse der Stromintegration und der Ladezustandsbestimmungen über die Ruhespannung bzw. über entsprechende Lastkennlinien gewichtet.
Dabei ist es denkbar, dass die jeweiligen Ergebnisse in Abhängigkeit der jeweiligen aktuellen Genauigkeit der Stromintegration und der jeweiligen Ladezustandsbestimmungen gewichtet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird für mindestens eine der Bestimmungen, nämlich Stromintegration, Ladezustandsbestimmung über Ruhespannung und Ladezustandsbestimmung über Lastkennlinien, die entsprechende aktuelle Genauigkeit bestimmt, indem in Kenntnis von Messungenauigkeiten von Strom, Spannung und Temperatur ein Ladezustand für diese Messungenauigkeiten jeweils bestimmt und davon die entsprechende aktuelle Genauigkeit abgeleitet wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird mittels des erfindungsgemäß vorgesehenen Verfahrens der Ladezustand einer KFZ-Starterbatterie in Lithium-Technologie ermittelt. Dabei kann es sich bspw. um eine Lithium-Eisenphosphat (LiFePO₄)-Batterie (kurz: LFP) handeln. Das Verfahren ist jedoch auch bei anderen Anwendungen, bspw. bei Hybrid-Batterien einsetzbar.
In möglicher Erweiterung des Verfahrens ist es denkbar bei und/oder nach Zusammenführen der jeweiligen Ergebnisse der Stromintegration und der beiden Ladezustandsbestimmungen mittels eines Filters ein Glättungsverfahren durchzuführen.
Der Aussage über den letztendlichen Ladezustand der Batterie werden vorzugsweise vorbestimmte Batteriekennlinien des Batterietyps der zu prüfenden Batterie zugrunde gelegt. Das bedeutet, dass für jeden einsetzbaren Batterietyp entsprechende Batteriekennlinien, die im Vorfeld in einem entsprechenden Labor ermittelt wurden, hinterlegt und als Grundlage bezüglich der Aussage über einen tatsächlichen Ladezustand einer Batterie des entsprechenden Batterietyps genutzt werden.
Bei Batterien unterscheidet man generell zwischen Primärzellen, die nur eine einmalige Entladung erlauben und wiederaufladbaren Sekundärzellen oder Akkumulatoren. Wichtige Kennlinien für Batteriesysteme sind die Ruhespannung, die Spannung zwischen den beiden Batterie-Polen, wenn kein Strom fließt, welcher durch verwendete Elektrodenmaterialien bestimmt wird, gewichts- bzw. volumenbezogene Speicherkapazität, entsprechend einer theoretisch entnehmbaren Ladungsmenge und spezifische Energie bzw. Energiedichte, d. h. masse- bzw. volumenbezogene nutzbare elektrische Energie der entsprechenden Batterie. Im Vergleich zu anderen bekannten Batteriesystemen zeichnen sich auf Lithium-Basis funktionierende Batterien durch eine weitaus höhere spezifische Energie und Energiedichte aus. Die Lithium-Batterie ist ein Sammelbegriff für eine Vielzahl primärer und sekundärer Batteriesysteme, in denen Lithium in reiner oder gebundener Form als Aktivmaterial der negativen Elektrode verwendet wird. Es gibt eine Fülle möglicher Kombinationen von Anoden-Elektrolyt- und Kathodematerialien. Lithium ist ein leichtes Metall im Periodensystem und steht am negativen Ende der elektrochemischen Spannungsreihe. Die daraus resultierende hohe theoretische Kapazität und die in Kombination mit verschieden Kathodenmaterialien realisierbaren hohen Zellspannung machen Lithium zum idealen Anodenmaterial. Als Elektrolyt kommen aufgrund der Tatsache, dass Lithium eine extrem hohe Reaktivität gegenüber Wasser oder feuchter Luft besitzt, nur Lösungen wasserfreier Lithiumsalze in organischen Lösemitteln oder Festkörperelektrolyte in Frage. Im Bereich der Fahrzeugtechnik sind vorwiegend sekundäre Lithium-Batterien, d. h. wiederaufladebare Batteriesysteme von Interesse. Dabei kann es sich bspw. um eine Lithium-Ionen-Batterie oder auch um eine Lithium-Polymerbatterie handeln. Bei beiden Möglichkeiten sind Elektrodenmaterialien und Zellchemie identisch, anstelle eines flüssigen Elektrolyten im Falle der Lithium-Ionen-Batterie wird bei der Lithium-Polymerbatterie jedoch eine Polymermatrix verwendet, die den Flüssigelektrolyten vollständig aufsaugt und auslaufsicher fixiert.
Neuere Fahrzeugkonzepte wie bspw. ein Hybridauto benötigen immer leistungsfähigere Batterien. Der Hybridantrieb erfordert eine Energie von 1 bis 2 kWh bei kurzeitiger Spitzenleistung von über 20 kW, sowohl im Lade- als auch im Entladevorgang. Aufgrund seiner hohen Energiedichte sind hierfür auch Lithium-Batteriesysteme von Vorteil.
Basis eines jeweiligen Energiemanagements in heutigen KFZ-Bordnetzen ist eine exakte Kenntnis des Batteriezustands der eingesetzten Starterbatterie, der aus Größen wie Batteriestrom, -spannung und -temperatur gewonnen wird. Dabei werden Batteriesensoren eingesetzt, bei denen es sich in der Regel um mechatronische Sensoren mit einem eigenen Mikro-Controller handelt und die sich in der Regel jeweils direkt am Minuspol der entsprechenden KFZ-Batterie befinden. Ein Batteriesensor liest fortlaufend Klemmspannung sowie Lade- und Entladestrom der Batterie und die Temperatur der Batterie aus. Ferner ist eine Aufgabe des Batteriesensors Batterieindikatoren als Grundlage für Ladezustand und allgemeinen Zustand der Batterie zu berechnen sowie eine Bilanzierung des Lade- und Entladestroms der Batterie vorzunehmen. Eine wesentliche Aufgabe eines Batteriesensors ist darüber hinaus einen Ladezustand SoC (State of Charge) zu überwachen und bei kritischem Ladezustand entsprechende Gegenmaßnahmen zu aktivieren. Ferner soll mittels eines Batteriesensors der Ruhestrom des Fahrzeugs überwacht werden und ein Datentransfer an ein übergeordnetes Steuergerät erfolgen. Eigendiagnosen sind in der Regel ebenfalls eine Eigenschaft eines Batteriesensors sowie vollautomatische Updates von Algorithmen und Eigendiagnose-Parametern. Ein Batteriesensor verfügt darüber hinaus in der Regel über eine Auswerteelektronik, über welche fortlaufend die entsprechenden Messdaten erfasst werden. Diese Messdaten werden genutzt, um Batterieindikatoren Spannung, Strom und Temperatur zu berechnen.
Im Folgenden soll das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands einer Batterie am Beispiel einer auf Lithium-Technologie basierenden KFZ-Starterbatterie beschrieben werden. Dieses Verfahren ist jedoch auch bei anderen Anwendungen, wie bspw. bei Hybridbatterien, einsetzbar. Das Verfahren kann vorzugsweise automatisch, vorzugsweise vollautomatisch durch einen zuvor beschriebenen und entsprechend konfigurierten Batteriesensor ausgeführt werden.
Erfindungsgemäß erfolgt die Ermittlung eines Ladezustands (SoC, State of Charge) einer zu prüfenden Batterie über die folgenden drei Bestimmungen:

1. Stromintegration bzw. Ladungszählung
2. Ladezustandsbestimmung über Ruhespannung der zu prüfenden Batterie
3. Ladezustandsbestimmung über Lastkennlinien der zu prüfenden Batterie.

Ergebnisse der Stromintegration, der Ladezustandsbestimmung über Ruhespannung der Batterie und der Ladezustandsbestimmung über Lastkennlinien der Batterie werden, vorzugsweise gewichtet, zusammengeführt, um eine möglichst genaue Aussage über den Ladezustand der betreffenden Batterie treffen zu können. Für jede der genannten Bestimmungen, d. h. Stromintegration, Ladezustandsbestimmung über Ruhespannung der Batterie und Ladezustandsbestimmung über Lastkennlinien der Batterie wird eine aktuelle Genauigkeit ermittelt, indem jede der genannten Bestimmungen jeweils hardwaretechnische Messungenauigkeiten von Strom, Spannung und Temperatur kennt und den Ladezustand stets auch für diese maximalen Messungenauigkeiten bestimmt. Dadurch ist bei all den drei genannten Bestimmungen stets bekannt, in welchem Bereich sich der bestimmte Ladezustand tatsächlich befinden kann.
In all den drei Bestimmungen werden vorzugsweise die in einem Labor zuvor ermittelten spezifischen Kennlinien der zu prüfenden Batterie bzw. des Batterietyps der zu prüfenden Batterie hinterlegt. Insbesondere die Kennlinien einer Lithium-Batterie bzw. einer auf Lithium-Technologie basierenden Batterie unterscheidet sich nahezu in jeder Hinsicht von den Kennlinien einer bisher in der Regel verwendeten Blei-Säure-Batterie.
Wie bereits erwähnt können die jeweiligen Ergebnisse der Stromintegration und der beiden Ladezustandsbestimmungen bei und/oder nach Zusammenführung derselben mittels eines Filters geglättet werden. Der durch Kombination der genannten Bestimmungen ermittelte Ladezustand weist in der Regel aufgrund sich ständig ändernder Gewichtungen der jeweiligen Bestimmungen Sprünge auf, so dass eine Glättung vorteilhaft erscheint, um eine gut handhabbare und verwertbare Aussage bezüglich des Ladezustands der Batterie zu bekommen.
Es ist zu erwähnen, dass, wenn das Verfahren zur Ladezustandsbestimmung erstmalig gestartet wird, während einer sog. Initialisierungsphase der Ladezustand-Wert ”127” ausgegeben wird. Erst wenn das Verfahren sich auf eine neu angeschlossene Batterie eingelernt hat und ein entsprechender Ladezustand der Batterie mit guter Genauigkeit ausgegeben werden kann, erfolgt eine Ausgabe des tatsächlichen Ladezustands. Eine derartige Initialisierungsphase erfolgt einmalig nach Anschluss einer entsprechend zu prüfenden Batterie.
Bei den drei zu kombinierenden Bestimmungen ist in der Regel die Stromintegration bzw. die Ladungszählung als die wichtigste Bestimmung zu behandeln. Da die Stromintegration auch Messungenauigkeiten von Spannung, Strom und Temperatur unterliegt, wird die Ungenauigkeit der Stromintegration über die Zeit immer größer. Daher ist vorgesehen, die Ladungszählung bzw. die Stromintegration möglichst häufig zurückzusetzen (”reset”). Wie bereits erwähnt sind alle Bestimmungen, d. h. Stromintegration und die beiden Ladezustandsbestimmungen auf die vorab in einem Labor ermittelten Kennlinien angepasst und detektieren spezielle Batteriezustände am für die zu prüfende Batterie typischen Verhalten.
Im Falle einer Lithium-Batterie werden anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens bspw. folgende spezielle Batteriezustände erkannt:

1. Erkennung einer vollen Batterie am für Lithium-Batterien typischen Strom- und Spannungsverhalten bei voll werdender Batterie.
2. Erkennung einer leeren Batterie am für Lithium-Batterien typischen Strom- und Spannungsverhalten bei vollständig entladener Batterie.
3. Erkennung einer fast vollen Batterie am für Lithium-Batterien typischen Strom- und Spannungsverhalten bei allmählich voll werdender Batterie. Eine derartige Erkennungsfunktionalität ist vorteilhafterweise vorzusehen, da die Batterie in Kraftfahrzeugen in verbrauchsoptimierenden Funktionen wie Start/Stop und Bordnetzrekuperation evtl. nicht vollständig aufgeladen wird.
4. Erkennung einer fast leeren Batterie am für Lithium-Batterien typischen Strom- und Spannungsverhalten bei fast vollständig entladener Batterie. Diese Erkennungsfunktionalität ist vorteilhaft, da die Batterie in Fahrzeugen in der Regel nicht vollständig entladen wird bzw. werden sollte.
5. Erkennung von großen Messungenauigkeiten der Ladungszählung bzw. der Stromintegration. Gibt bspw. die Ladungszählung einen Ladezustand von 100% aus, ist jedoch die Batterie nicht vollständig aufgeladen, so wird der Ladezustand der Ladungszählung neu angesetzt und der Ladezustand in dessen Genauigkeit korrigiert.
6. Erkennung von großen Messungenauigkeiten der Ladungszählung. Gibt die Ladungszählung einen Ladezustand von 0% aus, ist die Batterie jedoch noch nicht vollständig entladen, wird der Ladezustand der Ladungszählung neu angesetzt und der Ladezustand in dessen Genauigkeit korrigiert.

Ferner ist es ein Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens die genannten hardwaretechnischen Messungenauigkeiten der Strommessung über die jeweilige Betriebszeit hinweg zu ermitteln und so die Messgenauigkeit autonom Korrektur zu rechnen. Dazu ist folgendes vorgesehen:

1. Bei Erkennung einer vollen Batterie (100% Ladezustand), aber einem ermittelten Ladezustand der Ladungszählung, der deutlich niedriger liegt, wird davon ausgegangen, dass die Strommessung mit einem negativen Fehler behaftet ist und der Ladezustand der Ladungszählung daher ”hinterherhinkt”. Mit jedem Auftreten dieses Ereignisses wird ein Strom-Korrekturfaktor bspw. von +2% des Messbereichs aufaddiert.
2. Bei Erkennung einer leeren Batterie, d. h. 0% Ladezustand, aber einem ermittelten Ladezustand der Ladungszählung, der deutlich höher liegt, wird davon ausgegangen, dass die Strommessung mit einem positiven Fehler behaftet ist und der Ladezustand der Ladungszählung daher zu hoch ermittelt ist. Mit jedem Auftreten dieses Ereignisses wird ein Strom-Korrekturfaktor bspw. von –2% des Messbereichs aufaddiert.
3. Bei Erkennung einer fast vollen Batterie, bspw. 94% Ladezustand, aber einem ermittelten Ladezustand der Ladungszählung, der deutlich niedriger liegt, wird davon ausgegangen, dass die Strommessung mit einem negativen Fehler behaftet ist und der Ladezustand der Ladungszählung daher ”hinterherhinkt”. Mit jedem Auftreten dieses Ereignisses wird ein Strom-Korrekturfaktor bspw. von +2% des Messbereichs aufaddiert.
4. Bei Erkennung einer fast leeren Batterie, bspw. 6% Ladezustand, aber einem ermittelten Ladezustand der Ladungszählung, der deutlich höher liegt, wird davon ausgegangen, dass die Strommessung mit einem positiven Fehler behaftet ist und der Ladezustand der Ladungszählung daher zu hoch ermittelt ist. Mit jedem Auftreten dieses Ereignisses wird ein Strom-Korrekturfaktor bspw. von –2% des Messbereichs aufaddiert.
5. Bei Erkennung von großen positiven Messungenauigkeiten der Ladungszählung wird davon ausgegangen, dass die Strommessung mit einem positiven Fehler behaftet ist und der Ladezustand der Ladungszählung daher zu hoch ermittelt ist. Mit jedem Auftreten dieses Ereignisses wird ein Strom-Korrekturfaktor bspw. von –10% des Messbereichs aufaddiert.
6. Bei Erkennung von großen negativen Messungenauigkeiten der Ladungszählung wird davon ausgegangen, dass die Strommessung mit einem negativen Fehler behaftet ist und der Ladezustand der Ladungszählung daher zu niedrig ermittelt ist. Mit jedem Auftreten dieses Ereignisses wird ein Strom-Korrekturfaktor bspw. von +10% des Messbereichs aufaddiert.
7. Wird eine Ruhephase erkannt, d. h. wird die Batterie für eine längere, definierte Zeit nur noch mit einem sehr kleinen Strom belastet, bspw. wenn ein entsprechendes Fahrzeug geparkt und verschlossen ist, wird der tatsächlich gemessene Strom mit dem für das Fahrzeug ermittelten Ruhestrom verglichen. Bei einer Differenz von bspw. mehr als ±10 mA wird ein Strom-Korrekturfaktor berechnet, immer, wenn sich die Batterie in Ruhephasen befindet aufaddiert wird. Dadurch wird das Integrieren von Messfehlern während langer Standphasen des entsprechenden Fahrzeugs fast gänzlich verhindert.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
1 zeigt ein Blockdiagramm, auf Basis dessen eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen ist.
Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung schematisch und ausführlich beschrieben.
1 zeigt zur Erläuterung einer Ausführungsform des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens ein entsprechendes Blockdiagramm, mit dessen Hilfe eine Durchführung der entsprechenden Ausführungsform des Verfahrens anhand von Funktionsblöcken im Folgenden beschrieben wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands einer Batterie, insbesondere einer LiFePO₄-KFZ-Starterbatterie umfasst, wie eingangs erwähnt, zunächst drei Bestimmungen bzw. Teil-Verfahren, die jeweils einen Rückschluss auf den Ladezustand der zu prüfenden Batterie auf verschiedene Weise angehen. Zum Einen ist dies eine Ladezustandsbestimmung über eine Ladungszählung bzw. eine Stromintegration, was im Folgenden als IDT abgekürzt wird. Ferner ist dies eine Ladezustandsbestimmung über ein Spannungsverhalten unter Last der zu prüfenden Batterie, was im Folgenden mit LOV (Load Operation Voltage) abgekürzt wird. Weiterhin umfasst dies eine Ladezustandsbestimmung über die batteriespezifische Ruhespannung, was im Folgenden mit OCV (Open Circuit Voltage) abgekürzt wird. Die Ladezustandsbestimmung über Ladungszählung bzw. Stromintegration wird durch Funktionsblock 10 dargestellt, welcher in 1 betitelt ist mit ”IDT Measurement”. Die Ladezustandsbestimmung über das Spannungsverhalten unter Last wird durch Funktionsblock 20 repräsentiert, der untertitelt ist mit ”LOV Measurement”. Letztlich wird die Ladezustandsbestimmung über die Ruhespannung durch Funktionsblock 30 dargestellt, welcher mit ”OCV Measurement” bezeichnet wird.
Übergeben wird von jedem dieser Verfahren jeweils der ermittelte Ladezustand SoC, was durch die jeweiligen Pfeile 11, 21 und 31 kenntlich gemacht ist. Neben dem Ladezustand wird auch dessen aktuelle Genauigkeit jeweils bestimmt und übergeben, was durch entsprechende, jeweilige Pfeile 12, 32 und 22 entsprechend kenntlich gemacht ist. Die so erhaltenen Ergebnisse dieser drei Bestimmungen bzw. Teil-Verfahren werden im Funktionsblock 50, der betitelt ist als ”Method Rating & SoC Regulation” gewichtet und zusammengeführt, um eine möglichst genaue Aussage über den tatsächlichen Ladezustand treffen zu können. Sowohl der jeweils ermittelte Ladezustand, wie auch die jeweils ermittelte aktuelle Genauigkeit wird für alle drei der genannten Teil-Verfahren in Prozent angegeben, was auf entsprechenden Recheneinheiten jeweils umgerechnet wurde. Die entsprechenden Recheneinheiten sind den Funktionsblöcken entsprechend zugeordnet und tragen für Funktionsblock 10 die Referenzen 13 und 14, für Funktionsblock 30 die Referenzen 33 und 34 und für Funktionsblock 20 die Referenzen 23 und 24.
Zur Ermittlung der Genauigkeit sind jedem der drei Funktionsblöcke 10, 20, 30, die hardwaretechnische Messungenauigkeiten von Strom, Spannung und Temperatur bekannt und der Ladezustand wird jeweils auch für die maximalen Messungenauigkeiten bestimmt. Dadurch kann jeweils die Genauigkeit der einzelnen Teil-Verfahren bzw. Funktionsblöcke ermittelt werden. Jedem der drei Funktionsblöcke werden zudem zur Durchführung der jeweiligen Bestimmung entsprechende Eingaben gegeben. So bspw. erhält Funktionsblock 10 zur Ladebestimmung über Ladungszählung den Batteriestrom, wie durch Pfeil 15 kenntlich gemacht, als Eingabe. Entsprechend werden Funktionsblöcke 20 und 30, gekennzeichnet durch jeweilige Eingabepfeile, über den Batteriestrom, die Batteriespannung und die Batterietemperatur informiert. Funktionsblock 20 wird durch Eingabepfeil 25 bzgl. Strom, durch Eingabepfeil 26 bzgl. Spannung und durch Eingabepfeil 27 bzgl. Temperatur gespeist. Funktionsblock 30 wird entsprechend über Eingabepfeile 35, 36 und 37 bzgl. Strom, Spannung und Temperatur gespeist.
Zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit werden vorzugsweise Methoden verwendet, die eine regelmäßige Kalibrierung der Ladungszählung ausführen und die Messungenauigkeiten der verwendeten Hardware über längere Betriebszeiten ermitteln, und Korrekturrechnungen anzustoßen. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden spezifische Ladezustände der zu prüfenden Batterie erkannt und ggf. spezifische die jeweilige Genauigkeit der einzelnen Bestimmungen unterstützende Funktionen ausgeführt. Dies sind bspw.:

1. Erkennung einer vollständig/fast vollständig aufgeladenen Batterie
2. Erkennung einer vollständig/fast vollständig entladenen Batterie
3. Erkennung von technisch unmöglichen Fehlerbereichen, wie bspw. einen Ladezustand aufgrund von Ladungszählung von 90% ± 20%.
4. Einlernen von Ungenauigkeiten in der Strommessung im aktiven Betrieb
5. Einlernen von Ungenauigkeiten in der Strommessung in Ruhephasen (Ruhestrom)
6. Korrektur der Strommessung anhand ermittelter Korrekturfaktoren

Funktionsblock 60, welcher als Eingang den eingespeisten Batteriestrom Ibatt hat, führt entsprechende Korrekturrechnungen durch. Werden dabei über längere Betriebszeiten hinweg Messungenauigkeiten entdeckt und Korrekturfaktoren ermittelt, werden diese hier auf den gemessenen Strom aufaddiert, was durch ”to Ibatt” kenntlich gemacht ist. Ähnliche Korrekturrechnungen können für Spannung und Temperatur durchgeführt werden, was für die Batteriespannung Ubatt oberhalb von Funktionsblock 60 und für die Batterietemperatur Tbatt unterhalb von Funktionsblock 60 schematisch dargestellt ist.
Zur Berechnung des tatsächlichen Ladezustands wird für jede der drei Bestimmungen stets die aktuelle Genauigkeit ermittelt, in der jeweils die hardwaretechnischen Messungenauigkeiten von Strom, Spannung und Temperatur berücksichtigt werden und der Ladezustand bei jeder Bestimmung auch für diese maximalen Messungenauigkeiten bestimmt wird. Zusätzlich wird für jede Bestimmung auch die Ungenauigkeit der jeweiligen Bestimmung selbst berücksichtigt. Eine aktuelle Ungenauigkeit jeder Bestimmung (IDT, LOV und OCV), abgekürzt mit Acc (inaccuracy), entscheidet darüber, wie stark der ermittelte Ladezustand in die Gewichtung der Bestimmungen mit einfließt. Da eine Bestimmung mit kleinen Ungenauigkeiten stärker gewichtet werden soll, wird der Kehrwert berechnet und anschließend quadriert, um Bestimmungen mit großer Ungenauigkeit noch geringer zu gewichten. Dies kann bspw. nach folgender Formel berechnet werden:
Dabei werden die einzelnen Bestimmungen durch V1, V2 und V3 repräsentiert, die jeweilig aktuelle Ungenauigkeit entsprechend als Acc_V1, Acc_V2 bzw. Acc_V3 bezeichnet und der Wichtungsvektor eines jeweiligen Verfahrens bzw. einer jeweiligen Bestimmung wird mit w_V1, w_V2 bzw. w_V3 gekennzeichnet.
Anschließend werden die ermittelten Ladezustände jeder Bestimmung unter Berücksichtigung der jeweiligen Gewichtungen zusammengeführt (entsprechend einem gewichteten Mittelwert). Dies kann wie folgt zusammengefasst werden: SoC = w_IDT·SoC_IDT + w_LOV·SoC_LOV + w_OCV·SoC_OCV (2)
Da bei einer Rekalibrierung der Ladungszählung (IDT) oder bei Aktivierung einer Bestimmung (bspw. Ruhespannungsmessung in Ruhephasen) Sprünge in der Ladezustandsermittlung auftreten können, ein entsprechendes Energiemanagement aber auf einen kontinuierlichen Ladezustandsverlauf angewiesen ist, wird der ermittelte Ladezustand vorzugsweise über einen Filter, bspw. ein sogenanntes PT₁-Glied (Tiefpassfilter) geglättet. Dabei soll das Signal nicht verstärkt werden. Eine Zeitkonstante wurde bspw. experimentell so ermittelt, dass das Signal ausreichend langsam (glättend) auf Ladezustandssprünge reagiert, aber dennoch schnell genug, um die Dynamik in der Ladezustandsermittlung nicht zu stark zu dämpfen.
Die Ausgabe eines tatsächlichen Ladezustands erfolgt jedoch nur, wenn dessen Genauigkeit auch einen verlässlichen Rückschluss auf die zu prüfende Batterie ermöglicht. Wie bereits eingangs erwähnt, besitzt das Verfahren gerade während eines erstmaligen Anschlusses einer entsprechenden Batteriesensorik oder nach einem Reset keinerlei Kenntnis über den Ladezustand der jeweiligen Batterie und muss sich im Betrieb zuerst justieren. In dieser sogenannten Initialisierungsphase wird ein die Initialisierungsphase kennzeichnender konstanter Wert ausgegeben. Es wird bspw. konstant der Wert ”127”, was einer Byte-Grenze entspricht, gesendet. Funktionen im entsprechenden Energiemanagement, die auf den Ladezustand der Batterie angewiesen sind, können so definiert auf diese Initialisierungsphase reagieren. Derartige Funktionen sind bspw. Start/Stopp Veto.
Block 10 integriert, wie durch Pfeil 15 angedeutet, den fließenden Batteriestrom und ermittelt so unter Berücksichtigung coulombscher Effizienz der angeschlossenen Batterie, bspw. der LiFePO₄-Zellen, die in der Batterie enthaltene Ladung. Unter Kenntnis der Batteriekapazität kann nun der Ladezustand berechnet werden. Dabei sind Sättigungsgrenzen definitionsgemäß auf 0 und 100 zu setzen. Block 10 kann jederzeit auf einen neuen Ausgangspunkt gesetzt werden, bspw. bei einer Rekalibrierung. Parallel dazu werden auch messbereichsabhängige, maximale positive und negative Messfehler integriert, um zu jedem Zeitpunkt eine Aussage über den Bereich treffen zu können, in dem sich der Ladezustand unter Berücksichtigung der Messfehler tatsächlich befinden kann (Genauigkeitsbewertung).
Block 60 reagiert auf technisch unmögliche Fehlerbereiche. Ermittelt die Ladungszählung einen Ladezustand von 100%, es folgt jedoch bei weiterhin positivem Ladestrom nicht innerhalb einer definierten Zeitspanne ein Signal ”Batterie VOLL”, läuft die Ladungszählung offensichtlich dem eigentlichen Ladezustand voraus. Der Ladezustand wird um einen definierten Prozentsatz tiefer neu angesetzt, ebenso die Genauigkeit der Ladungszählung. Da der Ladezustand bereits 100% erreicht hat, bevor die Batterie tatsächlich vollständig aufgeladen wurde, liegt der tatsächliche Ladezustand offenbar nicht im positiven Fehlerbereich. Daher wird der positive Fehler komplett eliminiert, der negative Fehler wird durch zwei geteilt und als neuer positiver und negativer Fehler angesetzt. Damit wird der reale Ladezustand durch die Stromintegration eingekreist. Eine derartige Justierungsmethode kann bei weiterhin positivem Ladestrom mehrmals durchgeführt werden, so dass der reale Ladezustand immer weiter eingekreist wird und die Genauigkeit immer besser und die Stromintegration wieder stärker gewichtet wird.
Weiterhin können mit der genannten Justierungsmethode auch Rückschlüsse auf Ungenauigkeiten in der Strommessung gezogen werden. Tritt das oben beschriebene Ereignis zu einer definierten Anzahl auf, die Ladungszählung läuft im eigentlichen Batterieladezustand also mehrere Male voraus, und die Stromintegration befindet sich nicht in der Initialisierungsphase, der Ladezustand ist verlässlich, liegt hier aller Wahrscheinlichkeit nach ein tendenziell positiver Messfehler der zugrundeliegenden Batteriesensorik vor. Daher wird bspw. ein Strom-Korrekturfaktor von bspw. –5% der Strommessbereiche eingeführt. Das bedeutet beispielsweise, dass im Messbereich bis 30 A, in dem die Ungenauigkeit bei ±1%, also ±300 mA liegt, ein Korrekturfaktor von –15 mA eingeführt wird. Tritt das beschriebene Ereignis weiterhin auf, wird dieser Korrekturfaktor weiter erhöht. Dieselbe Justierungsmethode kann analog angewendet werden bei einem Ladezustand von 0%, aber fehlendem Signal ”Batterie LEER”. Dann werden der Ladezustand sowie dessen Genauigkeit ebenfalls neu angesetzt und es wird ein Korrekturfaktor von bspw. +5% der Messbereiche eingeführt.
Block 20 ermittelt den Ladezustand der zugrundeliegenden Starterbatterie in Ruhephasen über die im Labor ermittelten Kennlinien. Derartige Kennlinien können bspw. in zweidimensionalen Look-Up-Tables der Gleichung SoC = f(U, T) hinterlegt sein. Wie bei der zuvor beschriebenen Ladungszählung (IDT), wird auch bei der Ruhespannungsmessung (OCV) der Ladezustand nicht nur für die gemessene Temperatur und Spannung ermittelt, sondern auch für die jeweils maximalen positiven und negativen Messungenauigkeiten. Zusätzlich wird auch die Messungenauigkeit der Ladezustandsbestimmung über die Ruhespannung selbst aufaddiert. Angestoßen wird das Ruhespannungsverfahren, sobald für eine definierte Zeit alle Bedingungen zur Erkennung einer Ruhephase ohne Unterbrechung vorliegen. Dies wird in der Regel indiziert durch ”Motor aus”, ”Klemme aus” und ”der fließende Strom ist kleiner als der Fahrzeug-Ruhestrom plus/minus die Messungenauigkeit der verwendeten Sensorik”. Nach einem Stromanstieg wird das Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands über die Ruhespannung deaktiviert. Konnte bei der Ladezustandsbestimmung über die Ruhespannung ein Ladezustand mit höherer Genauigkeit als der bei der Ladungszählung bestimmt werden, erfolgt eine Rekalibrierung.
Block 30 ermittelt den Ladezustand der Starterbatterie während Belastungsphasen über die im Labor ermittelten Lastkennlinien. Diese Lastkennlinien sind bspw. in dreidimensionalen Look-up-Tables der Gleichung SoC = f(U, I, T) hinterlegt. Auch bei diesem Verfahren wird der Ladezustand nicht nur für die gemessenen Werte von Strom, Spannung und Temperatur ermittelt, sondern auch für die jeweils maximalen positiven und negativen Messungenauigkeiten, unter Berücksichtigung der Messungenauigkeit der Ladezustandsbestimmung über Lastkennlinien selbst. Liegt der ermittelte Ladezustand außerhalb des Genauigkeitsbereichs der Stromintegration, der als Referenz dient, wird die Ungenauigkeit des LOV-Verfahrens entsprechend erhöht und dessen Gewichtung damit verringert. Das LOV-Verfahren kommt zur Anwendung, wenn ein negativer Laststrom vorliegt und alle Bedingungen zur Ausführung des LOV-Verfahrens erfüllt sind. Diese sind bspw.:

1. Der Laststrom befindet sich in einem definierten Bereich, wo bei dieser Bereich ist durch die Messungen im Labor gestützt wird.
2. Die Zell- bzw. Batterietemperatur liegt in einem Bereich, der eine eindeutige Aussage ermöglicht. Da eine LiFePO₄-Batterie nur für Außentemperaturen über 0°C zugelassen ist, wird in diesem Fall diese Bedingung praktisch nicht verletzt.
3. Alle Bedingungen sind für eine definierte Zeit erfüllt, da eine zuverlässige Bestimmung nach sehr kurzer Belastung noch nicht möglich ist.

Ist eine Bestimmung des Ladezustands über die Lastspannungskennlinien nicht mehr möglich, weil die obigen Bedingungen nicht mehr erfüllt sind, beginnt das LOV-Verfahren, ausgehend vom letzten ermittelten Ladezustandswert, ebenfalls mit der Stromintegration, um den letzten ermittelten Ladezustand dennoch weiterzuführen.
Ist die Ladezustandsbestimmung des Stromintegrationsverfahrens zu ungenau und es liegt auch keine Ruhespannungsphase zur Anwendung des OCV-Verfahrens vor, dient das LOV-Verfahren als letzte Quelle für einen Rückschluss auf den Ladezustand. Wird schließlich auch dieses Verfahren zu ungenau, erfolgt die Ausgabe von ”127” und es wird so mitgeteilt, dass momentan keine verlässliche Ladezustandsbestimmung möglich ist. Dieser Fall tritt aufgrund der regelmäßigen Rekalibrierungsmethoden jedoch praktisch nicht auf.
Für eine regelmäßige Rekalibrierung der Ladungszählung und um Messungenauigkeiten der verwendeten Hardware über längere Betriebszeiten hinweg zu ermitteln, wird eine vollständig aufgeladene bzw. vollständig entladene Starterbatterie durch das erfindungsgemäß vorgesehene Verfahren erkannt. Zur Erkennung einer vollen Batterie wird bspw. der für Lithium-Eisenphosphat-Batterien typische, steile Spannungsanstieg bei fast vollgeladener Batterie genutzt. Werden alle Bedingungen zur Erkennung einer vollen Batterie erfüllt, wird eine Rekalibrierung der Ladungszählung ausgeführt, der Ladezustand wird neu festgelegt. Die Bedingungen zur Erkennung einer vollen Batterie sind bspw. wie folgt:

1. Die Einzelzellspannung steigt auf über einen vorgebbaren Wert.
2. Der Ladestrom fällt unter ein Zehntel der Nennkapazität
3. Der Spannungsanstieg ist nicht durch einen erhöhten Innenwiderstand, verursacht durch Alterung und/oder zu tiefer Zelltemperatur, verursacht.
4. Eine Rekalibrierung würde die Ladezustandsgenauigkeit verbessern.
5. Alle Bedingungen sind für eine definierte Zeit erfüllt.

Zur Erkennung einer leeren Batterie wird bspw. bei Lithium-Eisenphosphat-Batterien der für Lithium-Eisenphosphat-Batterien typische, steile Spannungsabfall bei fast vollständig entladener Batterie genutzt. Auch hier wird bei Erfüllung aller Bedingungen zur Erkennung einer leeren Batterie eine Rekalibrierung der Ladungszählung ausgeführt, der Ladezustand wird auf 2% ± 2% neu festgelegt. Die betroffenen Bedingungen sind bspw. wie folgt:

1. Die Einzelzellspannung fällt auf unter eine vorgebbaren Wert.
2. Eine Rekalibrierung würde die Ladezustandsgenauigkeit verbessern.
3. Diese Bedingung ist für eine definierte Zeit erfüllt.

Auch das Auftreten dieser Ereignisse wird über die gesamte Betriebszeit, seit einem letzten Reset der Batteriesensorik bzw. einer Erstinbetriebnahme der entsprechenden Batterie, hinweg gezählt. Ab einer definierten Anzahl des Auftretens dieser Ereignisse werden tendenziell positive oder negative Messfehler der zugrundeliegenden Batteriesensorik durch Stromkorrekturfaktoren ausgeglichen. Läuft die Stromintegration mehrmals dem eigentlichen Ladezustand hinterher, wird ein Stromkorrekturfaktor von bspw. +2% der Strommessbereiche eingeführt. Tritt das beschriebene Ereignis weiterhin auf, wird dieser Korrekturfaktor weiter erhöht. Analog wird bei „Batterie LEER” verfahren.
Es ist möglich, anhand des für Lithium-Eisenphosphat-Batterien typischen, steilen Spannungsverlaufs bei fast vollgeladener Batterie auch eine fast vollständig aufgeladene Batterie zu erkennen. Motivation dafür ist die abgesenkte Generatorspannung bei aktiver Bordnetzrekuperation. Ist diese aktiv, kann die Starterbatterie aufgrund der niedrigen Spannung nicht vollständig aufgeladen werden. Um dennoch eine Rekalibrierung zu ermöglichen, wird unter bestimmten Bedingungen eine fast vollständig aufgeladene Batterie erkannt und so eine Rekalibrierung des Ladungszählers bzw. der Stromintegration ausgeführt, der Ladezustand wird bspw. auf 94% ± 4% neu festgelegt. Die o. g. Bestimmungen sind bspw. wie folgt:

1. Die Einzelzellspannung steigt auf einen ersten definierte Wert.
2. Die Einzelzellspannung steigt nicht über einen zweiten definierten Wert.
3. Der Ladestrom fällt unter die Nennkapazität.
4. Der Spannungsanstieg ist nicht durch einen erhöhten Innenwiderstand, verursacht durch Alterung und/oder zu tiefer Zelltemperatur, verursacht.
5. Eine Rekalibrierung würde die Ladezustandsgenauigkeit verbessern.
6. Alle Bedingungen sind für eine definierte Zeit erfüllt.

Außerdem ist es möglich, eine fast vollständig entladene Batterie zu erkennen. Da Batterien in Lithium-Eisenphosphat-Technik nicht vollständig entladen werden dürfen, da eine vorzeitige Alterung und Verschlechterung der Leistungsfähigkeit die Folge wäre, sollte das Ereignis ”Batterie Leer” bei sachgemäßer Verwendung der Batterie nicht auftreten. Um dennoch eine Rekalibrierung bei allmählich leer werdender Batterie zu ermöglichen, wird unter folgenden Bedingungen auch eine fast entladene Batterie erkannt und so eine Rekalibrierung des Ladungszählers ausgeführt, der Ladezustand wird bspw. auf 6% ± 4% neu festgelegt. Die Bedingungen sind bspw. wie folgt:

1. Die Einzelzellspannung fällt unter einen vorgebbaren Wert.
2. Eine Rekalibrierung würde die Ladezustandsgenauigkeit verbessern.
3. Diese Bedingung ist für eine definierte Zeit erfüllt.

Auch bei Erkennung einer fast vollgeladenen bzw. entladenen Batterie werden tendenziell positive oder negative Messfehler der zugrundeliegenden Batteriesensorik durch Stromkorrekturfaktoren ausgeglichen.

Claims

Verfahren zur Ermittlung eines Ladezustands einer Batterie mittels einer Kombination aus Integration von der Batterie zu- und abgeführtem Strom, Ladezustandsbestimmung der Batterie über eine batteriespezifische Ruhespannung und Ladezustandsbestimmung der Batterie über batteriespezifische Lastkennlinien, wobei jeweilige Ergebnisse der Stromintegration und der Ladezustandsbestimmungen zusammengeführt werden und daraus eine Aussage über den tatsächlichen Ladezustand der Batterie abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die jeweiligen Ergebnisse gewichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die jeweiligen Ergebnisse in Abhängigkeit der jeweiligen aktuellen Genauigkeit der Stromintegration und der jeweiligen Ladezustandsbestimmungen gewichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei für mindestens eine der Bestimmungen, Stromintegration, Ladezustandsbestimmung über Ruhespannung und Ladezustandsbestimmung über Lastkennlinien, die entsprechende aktuelle Genauigkeit bestimmt wird, indem in Kenntnis von Messungenauigkeiten von Strom, Spannung und Temperatur, ein Ladezustand für diese Messungenauigkeiten jeweils bestimmt und davon die entsprechende aktuelle Genauigkeit abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die jeweilige aktuelle Genauigkeit auch die Genauigkeit der jeweiligen Bestimmung selbst umfasst.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem der Ladezustand einer auf Lithium-Technologie basierenden Batterie, insbesondere einer auf Lithium-Technologie basierenden KFZ-Starterbatterie ermittelt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei bei und/oder nach Zusammenführen der jeweiligen Ergebnisse der Stromintegration und der Ladezustandsbestimmungen mittels eines Filters ein Glättungsverfahren durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem vorbestimmte Batterie-Kennlinien der Aussage über den tatsächlichen Ladezustand der Batterie zu Grunde gelegt werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem während einer Initialisierungsphase des Verfahrens als Aussage über den tatsächlichen Ladezustand der Batterie ein diese Initialisierungsphase kennzeichnender konstanter Wert ausgegeben wird.
Batteriesensor, der dazu konfiguriert ist, bei einer angeschlossenen Batterie deren Ladezustand mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.