DE102013217752A1

DE102013217752A1 - Bestimmung der Kapazität einer Batterie

Info

Publication number: DE102013217752A1
Application number: DE201310217752
Authority: DE
Inventors: Norbert Fröhlich; Bertram Schemel
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2013-09-05
Filing date: 2013-09-05
Publication date: 2015-03-05
Anticipated expiration: 2033-09-06
Also published as: DE102013217752B4

Abstract

Verfahrensgemäß wird die Kapazität einer Batterie (10) mit einer Mehrzahl von Batteriezellen (12, 14, 16) bestimmt. Die Batterie versorgt mindestens ein Gerät Es wird (a) ein erster Ladezustands für jede Batteriezelle bestimmt, (b) ein erster Satz Batteriezellen ausgewählt und (c) jede Batteriezelle des ersten Satzes in einem ersten Betriebs des Geräts entladen mittels Entladungselemente. Es wird (d) ein zweiter Ladezustands für die Batteriezellen nach dem ersten Betrieb des Geräts bestimmt, (e) eine durchschnittliche Ladungsänderung für nicht in dem ersten Satz enthalten Batteriezellen bestimmt, und (f) eine resultierende Ladungsänderung für jede Batteriezelle des ersten Satzes bestimmt. Schließlich wird (g) eine Kapazität für jede Batteriezelle des ersten Satzes basierend auf: (ga) der durchschnittlichen Ladungsänderung für nicht in dem ersten Satz enthaltene Batteriezellen, (gb) der bestimmten Ladungsänderung und (gc) einer Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Ladezustand bestimmt. Es werden ferner eine Vorrichtung, eine Motorsteuerung und ein Computerprogramm beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet des Bestimmens der Kapazität einer Batterie. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Kapazität einer Batterie, die eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweist und zum Versorgen eines Geräts mit elektrischer Energie während dessen Betriebs verwendet wird. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Motorsteuerung für ein Fahrzeug und ein Computerprogramm.
Batterien finden in verschiedenen stationären und mobilen Geräten ihren Einsatz. Die momentane Kapazität ist ein wichtiges Maß, um die verbleibende Ladungsmenge in der Batterie abzuschätzen. Durch den Vergleich der momentanen Kapazität mit der Anfangskapazität kann zudem die Alterung der Batterie abgeschätzt werden.
Bei bestehenden Verfahren zur Kapazitätsbestimmung wird eine gezielte Entladung der Batterie vorgenommen. Während des Betriebs der Batterie – z.B. in einem Hybridauto – kann eine solche Entladung nicht durchgeführt werden, da die gezielte Entladung durch die schwankenden Lade- und Entladevorgänge überlagert werden würde. Stattdessen wird in den Stillstandphasen eine Entladung durchgeführt.
Es ist ein Nachteil solcher bekannten Verfahren, dass die Batterie aktiv ist, wenn das Fahrzeug abgestellt ist. Es ist ein weiterer Nachteil dieser Verfahren, dass sie nicht verwendet werden können, wenn beim Nutzungsprofil nur sehr kurze Stillstandsphasen auftreten, z.B. bei Nutzfahrzeugen mit Elektro- oder Hybridantrieb. In solchen Fällen reicht die Zeit oft nicht aus, um die Kapazität zu bestimmen bzw. eine Symmetrierung der Zellen durchzuführen. Ähnlich verhält es sich bei einer stark gealterten Batterie.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Kapazitätsbestimmung einer Batterie bereitzustellen, die eine Kapazitätsbestimmung während des Betriebs ermöglicht und dabei u.a. die oben erwähnten Nachteile überwindet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen der Kapazität einer Batterie, die eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweist und zum Versorgen eines Geräts mit elektrischer Energie während dessen Betriebs verwendet wird, beschrieben. Das beschriebene Verfahren weist folgendes auf: (a) Bestimmen eines ersten Ladezustands für jede der Mehrzahl von Batteriezellen, (b) Auswählen eines ersten Satzes von Batteriezellen aus der Mehrzahl von Batteriezellen, (c) Entladen jeder Batteriezelle des ersten Satzes während eines ersten Betriebs des Geräts, wobei das Entladen der jeweiligen Batteriezellen mittels entsprechender Entladungselemente stattfindet, (d) Bestimmen eines zweiten Ladezustands für jede der Mehrzahl von Batteriezellen nach Abschluss des ersten Betriebs des Geräts, (e) Bestimmen einer durchschnittlichen Ladungsänderung für die Batteriezellen, die nicht in dem ersten Satz von Batteriezellen enthalten sind, (f) Bestimmen einer durch das Entladen jeder Batteriezelle des ersten Satzes verursachten Ladungsänderung für jede Batteriezelle des ersten Satzes von Batteriezellen, und (g) Bestimmen einer Kapazität für jede Batteriezelle des ersten Satzes von Batteriezellen basierend auf (ga) der bestimmten durchschnittlichen Ladungsänderung für die Batteriezellen, die nicht in dem ersten Satz von Batteriezellen enthalten sind, (gb) der für die jeweilige Batteriezelle bestimmten durch das Entladen verursachten Ladungsänderung und (gc) einer Differenz zwischen dem ersten Ladezustand und dem zweiten Ladezustand für die jeweilige Batteriezelle.
Dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein gezieltes Entladen von einigen ausgewählten Batteriezellen während des Betriebs zusammen mit einer Bestimmung einer Differenz des Ladezustands aller Batteriezellen beim Beginn aufeinanderfolgender Betriebsvorgänge eine Bestimmung der momentanen Kapazität der ausgewählten Batteriezellen ermöglicht. Dazu wird die durchschnittliche Ladungsänderung für die Batteriezellen bestimmt, die nicht entladen werden. Ferner wird die Ladungsänderung der einzelnen zum Entladen ausgewählten Batteriezellen bestimmt, die durch das Entladen dieser Batteriezellen verursacht wird. Damit kann die momentane bzw. aktuelle Kapazität der zum Entladen ausgewählten Batteriezellen basierend auf im Betrieb gemessenen und bestimmten Werten ermittelt werden, das heißt ohne Durchführung von Messverfahren und ohne Einschaltung von mit solchen Messverfahren verbundener Elektronik während Betriebspausen.
In diesem Dokument bezeichnet „Batterie, die eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweist“ insbesondere eine wiederaufladbare Batterie, die aus mehreren in Reihe geschalteten Batteriezellen besteht. Was den physikalischen Aufbau anbelangt, mag jede „Batteriezelle“ aus mehreren parallelgeschalteten Zellen bestehen. Dies ist aber für die vorliegende Offenbarung nicht relevant, so lange nichts anderes erwähnt wird.
In diesem Dokument bezeichnet „Kapazität einer Batterie“ bzw. „Kapazität einer Batteriezelle“ insbesondere die Menge an elektrischer Ladung, die die Batterie bzw. Batteriezelle liefern bzw. speichern kann. Die Kapazität wird typisch in Ah (Amperestunden) aber auch in As (Amperesekunden) oder C (Coulomb) gemessen.
In diesem Dokument bezeichnet „Ladezustand“ insbesondere die momentane in einer Batterie bzw. Batteriezelle enthaltene Ladungsmenge relativ zu der Kapazität (vollgeladenem Zustand). Der Ladezustand wird üblicherweise in % (Prozent) angegeben.
In diesem Dokument bezeichnet „Ladungsänderung“ insbesondere die Ladungsmenge, die im Laufe einer bestimmten Zeitdauer oder eines bestimmten Vorgangs einer Batterie bzw. Batteriezelle entnommen bzw. zugeführt wird.
Das Bestimmen eines ersten Ladezustands für jede Batteriezelle erfolgt vorzugsweise zum Beginn eines (ersten) Betriebs des Geräts, das von der Batterie mit elektrischer Energie versorgt wird, zum Beispiel ein Kraftfahrzeug mit Elektro- oder Hybridantrieb.
Während des (ersten) Betriebs werden die ausgewählten Batteriezellen (die Batteriezellen des ersten Satzes) mittels entsprechender Entladungselemente entladen. Mit anderen Worten wird während des Betriebs Ladung wegen des Entladens zusätzlich zu der aufgrund des Betriebs entnommenen Ladung aus den ausgewählten Batteriezellen entnommen.
In einer Ausführungsform weist jedes Entladungselement einen elektrischen Widerstand auf, der wahlweise parallel mit einer entsprechenden Batteriezelle geschaltet werden kann, um diese zu entladen.
Nach Abschluss des (ersten) Betriebs des Geräts, beispielsweise zum Beginn eines nachfolgenden Betriebs des Geräts, wird ein zweiter Ladezustand für jede Batteriezelle bestimmt. Des Weiteren wird eine durchschnittliche Ladungsänderung für die Batteriezellen bestimmt, die nicht während des ersten Betriebs entladen wurden, das heißt für die Batteriezellen, die nicht in dem ersten Satz von ausgewählten Batteriezellen enthalten sind. Mit anderen Worten wird es bestimmt, wie viel Ladung die nicht zum Entladen ausgewählten Batteriezellen im Durchschnitt während des (ersten) Betriebs zu dem Gerät abgegeben haben. Noch weiter wird eine durch das Entladen der ausgewählten Batteriezellen, das heißt die Batteriezellen des ersten Satzes, verursachten Ladungsänderung für jeden dieser ausgewählten Batteriezellen bestimmt. Mit anderen Worten wird es bestimmt, wie viel Ladung jeder der ausgewählten Batteriezellen aufgrund des Entladens abgegeben hat. Hier soll es beachtet werden, dass jede der ausgewählten Batteriezellen zusätzlich eine gewisse Ladungsmenge wegen des Betriebs des Geräts abgegeben hat.
Nachdem die obigen Ladezustände und Ladungsänderungen bestimmt worden sind, werden diese zum Bestimmen der Kapazität für jede ausgewählte Batteriezelle verwendet.
Mit dem beschriebenen Verfahren kann die momentane Kapazität ausgewählter Batteriezellen basierend auf Werten bestimmt werden, die ausschließlich während des Betriebs bestimmt worden sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Bestimmen des ersten Ladezustands ein Bestimmen einer ersten Ruhespannung für jede Batteriezelle auf. Des Weiteren weist das Bestimmen des zweiten Ladezustands ein Bestimmen einer zweiten Ruhespannung für jede Batteriezelle auf.
In diesem Dokument bezeichnet „Ruhespannung“ insbesondere die Spannung einer Batteriezelle, die dann vorhanden ist, wenn alle chemischen Ausgleichsvorgänge in der Batteriezelle nach einer Strombelastung abgeschlossen sind und sich die Spannung der Batteriezelle nicht mehr ändert, das heißt, die Batteriezelle befindet sich in Ruhe.
Bei Batteriezellen und auch anderen Energiespeichern, z.B. Doppelschichtkondensatoren, besteht ein funktionaler Zusammenhang zwischen der Ruhespannung (auch OCV (engl. „Open Circuit Voltage“) genannt) und dem Ladezustand (auch SOC (engl. „State Of Charge“) genannt). Dieser funktionale Zusammenhang wird häufig SOC-OCV-Kurve genannt und ermöglicht bei vielen Batterietypen, dass aus einer gemessenen Ruhespannung einer Batteriezelle über ihre SOC-OCV-Kurve auf deren Ladezustand zurückgeschlossen wird, das heißt SOC = SOC_OCV(U_OCV). Die SOC-OCV-Kurve kann zum Beispiel in Form einer Tabelle in einem computerlesbaren Speicher abgespeichert werden. Dadurch kann für eine gemessene Ruhespannung U_OCV der entsprechende Ladezustand SOC_OCV abgerufen werden.
Durch Bestimmung einer ersten Ruhespannung und einer zweiten Ruhespannung können der erste und zweite Ladezustand somit in einfacher Weise bestimmt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der erste Satz von Batteriezellen zumindest eine aber nicht alle Batteriezellen der Mehrzahl von Batteriezellen auf.
Wenn die Batterie zum Beispiel insgesamt n Batteriezellen aufweist und der ausgewählte erste Satz von Batteriezellen zum Beispiel insgesamt m Batteriezellen aufweist, dann bedeutet dies, dass die Bedingung 1 ≤ m < n erfüllt werden muss.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner ein Bestimmen eines Mittelwerts der Spannung für jede Batteriezelle des ersten Satzes in Verbindung mit dem Entladen dieser Batteriezellen auf.
Die Bestimmung des Mittelwerts der Spannung für eine der ausgewählten Batteriezellen kann zum Beispiel durch Integration der Spannung der Batteriezelle während des Entladens und Division mit der Zeitdauer des Entladens erfolgen. Für eine Batteriezelle, die durch die Nummer k gekennzeichnet ist, heißt dies:
wobei T_E die Zeitdauer des Entladens bezeichnet und U_k die gemessene Spannung der Batteriezelle mit der Nummer k.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die durch das Entladen jeder Batteriezelle des ersten Satzes verursachte Ladungsänderung für jede Batteriezelle des ersten Satzes basierend auf (a) dem Mittelwert der Spannung für die jeweilige Batteriezelle, (b) der Zeitdauer des Entladens und (c) einem elektrischen Widerstand des entsprechenden Entladungselements bestimmt.
Für die Batteriezelle mit der Nummer k kann die durch das Entladen verursachte Ladungsänderung ΔQ_E,k zum Beispiel wie folgt berechnet werden:
wobei T_E die Entladungszeitdauer und R_E den elektrischen Widerstand des entsprechenden Entladeelements bezeichnet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die durchschnittliche Ladungsänderung für die Batteriezellen, die nicht in dem ersten Satz von Batteriezellen enthalten sind, basierend auf einer Differenz zwischen dem ersten Ladezustand und dem zweiten Ladezustand sowie einer Kapazität für jede Batteriezelle, die nicht in dem ersten Satz enthalten ist, bestimmt.
Zuerst wird für jede Batteriezelle, die nicht in dem ersten Satz enthalten ist und mit dem Index j gekennzeichnet ist, die Ladungsänderung wie folgt berechnet:
wobei SOC_1,j den ersten Ladezustand der Batteriezelle mit der Nummer j, SOC_2,j den zweiten Ladezustand der Batteriezelle mit der Nummer j und K_j die Kapazität der Batteriezelle mit der Nummer j bezeichnet. Die Kapazität K_j bezeichnet insbesondere den letzten bekannten Wert der Kapazität dieser Batteriezelle, das heißt den zuletzt berechneten Wert oder einen vom Hersteller angegebenen Wert.
Die durchschnittliche Ladungsänderung für die Batteriezellen, die nicht in dem ersten Satz enthalten sind, wird dann wie folgt berechnet:
wobei n die gesamte Anzahl der Batteriezellen und m die Anzahl der Batteriezellen in dem ersten Satz bezeichnet.
Basierend auf den oben bestimmten Werten kann ein aktueller Wert für die Kapazität jeder Batteriezelle in dem ersten Satz berechnet werden. Genauer gesagt kann die Kapazität K_k einer Batteriezelle des ersten Satzes mit der Nummer k beispielsweise wie folgt berechnet werden:
Anders ausgedrückt, wird gemäß dieser Ausführungsform angenommen, dass die gesamte Ladungsänderung für die Batteriezelle k als die Summe der durch den Betrieb verursachte durchschnittliche Ladungsänderung und der durch das gezielte Entladen der Batteriezelle k verursachte Ladungsänderung berechnet werden kann. Hier wird es insbesondere angenommen, dass die durchschnittliche Ladungsänderung, die ja basierend auf den nicht ausgewählten Batteriezellen ermittelt wurde, auch für die ausgewählte Batteriezelle einschlägig ist. Durch Division mit der Differenz zwischen dem ersten und zweiten Ladezustand und Multiplikation mit 100% ergibt sich jetzt die Kapazität K_k für die ausgewählte Batteriezelle k.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das beschriebene Verfahren ferner folgendes auf: (a) Auswählen eines zweiten Satzes von Batteriezellen aus der Mehrzahl von Batteriezellen, (b) Entladen jeder Batteriezelle des zweiten Satzes von Batteriezellen während eines zweiten Betriebs des Geräts, wobei das Entladen der jeweiligen Batteriezellen mittels entsprechender Entladungselemente stattfindet, (c) Bestimmen eines dritten Ladezustands für jede der Mehrzahl von Batteriezellen nach Abschluss des zweiten Betriebs des Geräts, (d) Bestimmen einer durchschnittlichen Ladungsänderung für die Batteriezellen, die nicht in dem zweiten Satz von Batteriezellen enthalten sind, (e) Bestimmen einer durch das Entladen jeder Batteriezelle des zweiten Satzes verursachten Ladungsänderung für jede Batteriezelle des zweiten Satzes von Batteriezellen, und (f) Bestimmen einer Kapazität für jede Batteriezelle des zweiten Satzes von Batteriezellen basierend auf (fa) der bestimmten durchschnittlichen Ladungsänderung für die Batteriezellen, die nicht in dem zweiten Satz von Batteriezellen enthalten sind, (fb) der für die jeweilige Batteriezelle bestimmten durch das Entladen verursachten Ladungsänderung und (fc) einer Differenz zwischen dem zweiten Ladezustand und dem dritten Ladezustand für die jeweilige Batteriezelle.
In dieser Ausführungsform wird zum Beginn eines zweiten (auf dem ersten Betrieb folgenden) Betriebs ein zweiter Satz von Batteriezellen aus der Mehrzahl von Batteriezellen ausgewählt. Nach dem Auswählen des zweiten Satzes werden die oben im Zusammenhang mit dem ersten Aspekt beschriebenen Verfahrensschritte im Wesentlichen wiederholt, indem der zweite Satz von Batteriezellen jetzt statt des ersten Satzes verwendet wird.
Der zweite Satz von ausgewählten Batteriezellen kann mit Vorteil unterschiedlich von dem ersten Satz von Batteriezellen sein. Dadurch können aktuelle Kapazitätswerte für Batteriezellen bestimmt werden, die nicht in dem ersten Satz von Batteriezellen enthalten waren.
Das Verfahren mag beliebig oft wiederholt werden, das heißt in ähnlicher Weise für einen dritten Satz von Batteriezellen, vierten Satz von Batteriezellen usw. Dadurch können aktuelle Werte für die Kapazität aller Batteriezellen bereitgestellt werden, was eine präzise und aktuelle Ermittlung der Kapazität der gesamten Batterie ermöglicht, die ausschließlich auf Messungen basiert, die während des Betriebs durchführt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Bestimmen der Kapazität einer Batterie beschrieben, welche Batterie eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweist und zum Versorgen eines Geräts mit elektrischer Energie während dessen Betriebs verwendet wird. Die beschriebene Vorrichtung weist folgendes auf: (a) eine Mehrzahl von Entladungselementen, wobei jedes Entladungselement zum Verbinden mit einer der Batteriezellen angepasst ist, (b) eine Ladezustandsermittlungseinheit zum Ermitteln eines Ladezustands für jede der Mehrzahl von Batteriezellen, und (c) eine Steuereinheit, die angepasst ist zum: (d) Bestimmen eines ersten Ladezustands für jede der Mehrzahl von Batteriezellen unter Verwendung der Ladezustandsermittlungseinheit, (e) Auswählen eines ersten Satzes von Batteriezellen aus der Mehrzahl von Batteriezellen, (f) Entladen jeder Batteriezelle des ersten Satzes von Batteriezellen während eines ersten Betriebs des Geräts mittels der entsprechenden Entladungselemente, (g) Bestimmen eines zweiten Ladezustands für jede der Mehrzahl von Batteriezellen unter Verwendung der Ladezustandsermittlungseinheit nach Abschluss des ersten Betriebs des Geräts, (h) Bestimmen einer durchschnittlichen Ladungsänderung für die Batteriezellen, die nicht in dem ersten Satz von Batteriezellen enthalten sind, (i) Bestimmen einer durch das Entladen jeder Batteriezelle des ersten Satzes verursachten Ladungsänderung für jede Batteriezelle des ersten Satzes von Batteriezellen, und (j) Bestimmen einer Kapazität für jede Batteriezelle des ersten Satzes von Batteriezellen basierend auf (ja) der bestimmten durchschnittlichen Ladungsänderung für die Batteriezellen, die nicht in dem ersten Satz von Batteriezellen enthalten sind, (jb) der für die jeweilige Batteriezelle bestimmten durch das Entladen verursachten Ladungsänderung und (jc) einer Differenz zwischen dem ersten Ladezustand und dem zweiten Ladezustand für die jeweilige Batteriezelle.
Dieser zweite Aspekt beruht im Wesentlichen auf der gleichen Erkenntnis wie der oben beschriebene erste Aspekt und die oben beschriebenen Ausführungsformen. Der zweite Aspekt stellt insbesondere eine Vorrichtung bereit, die zum Durchführen des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt oder einer der obigen Ausführungsformen eingerichtet ist.
Die beschriebene Vorrichtung weist eine Mehrzahl von Entladungselementen auf. Jedes Entladungselement ist zum Verbinden mit einer Batteriezelle angepasst, um diese gegebenenfalls zu entladen. Dabei mag jedes Entladungselement einen elektrischen Widerstand und Schalter aufweisen, die den Widerstand parallel mit einer entsprechenden Batteriezelle verbinden können, wenn diese Batteriezelle entladen werden soll. Die Ladezustandsermittlungseinheit weist vorzugsweise Mittel zum Messen einer Spannung (zum Beispiel einer Ruhespannung) für jede einzelne Batteriezelle sowie Hardware und/oder Software zum Ermitteln eines Ladezustands basierend auf der gemessenen Spannung auf. Die Steuereinheit mag als selbständige Einheit oder als Teil eines in einem Gerät (zum Beispiel einem Kraftfahrzeug mit Elektro- oder Hybridantrieb) vorhandenen Steuergerät implementiert werden und mag aus Hardware und/oder Software bestehen.
Die beschriebene Vorrichtung ermöglicht somit ein Bestimmen der momentanen Kapazität ausgewählter Batteriezellen basierend auf Werten, die ausschließlich während des Betriebs bestimmt werden.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Motorsteuerung für ein Fahrzeug beschrieben, die zum Verwenden eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt und/oder einem der obigen Ausführungsbeispiele angepasst ist.
Diese Motorsteuerung ermöglicht zum Beispiel, dass Änderungen in der Batteriekapazität beim Fahren berücksichtigt werden. Dabei kann zum Beispiel Energie eingespart werden, wenn es festgestellt wird, dass die Batteriekapazität niedrig ist.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogramm beschrieben, welches, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, eingerichtet ist, das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt und/oder einem der obigen Ausführungsbeispiele durchzuführen.
Im Sinne dieses Dokuments ist die Nennung eines solchen Computerprogramms gleichbedeutend mit dem Begriff eines Programm-Elements, eines Computerprogrammprodukts und/oder eines computerlesbaren Mediums, das Anweisungen zum Steuern eines Computersystems enthält, um die Arbeitsweise eines Systems bzw. eines Verfahrens in geeigneter Weise zu koordinieren, um die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verknüpften Wirkungen zu erreichen.
Das Computerprogramm kann als computerlesbarer Anweisungscode in jeder geeigneten Programmiersprache wie beispielsweise in JAVA, C++ etc. implementiert sein. Das Computerprogramm kann auf einem computerlesbaren Speichermedium (CD-Rom, DVD, Bluray Disk, Wechsellaufwerk, flüchtiger oder nicht-flüchtiger Speicher, eingebauter Speicher/Prozessor etc.) abgespeichert sein. Der Anweisungscode kann einen Computer oder andere programmierbare Geräte wie insbesondere ein Steuergerät für einen Motor eines Kraftfahrzeugs derart programmieren, dass die gewünschten Funktionen ausgeführt werden. Ferner kann das Computerprogramm in einem Netzwerk wie beispielsweise dem Internet bereitgestellt werden, von dem es bei Bedarf von einem Nutzer heruntergeladen werden kann.
Die Erfindung kann sowohl mittels eines Computerprogramms, d.h. einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektrischer Schaltungen, d.h. in Hardware oder in beliebig hybrider Form, d.h. mittels Software-Komponenten und Hardware-Komponenten, realisiert werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die vorliegende Erfindung es möglich macht, die Kapazität von Batteriezellen einer Batterie im Betrieb zu aktualisieren. Dadurch entfällt u.a. der Energieverbrauch bei Nichtbetrieb und mögliche Sicherheitsrisiken eines abgestellten Fahrzeugs durch autonom aktivierte Steuergeräte werden minimiert. Die bisher bestimmten Kapazitäten von Einzelzellen einer Batterie werden verwendet, um neue Kapazitätswerte für einzelne Batteriezellen zu bestimmen. Da die umgesetzte Ladungsmenge nicht direkt über Stromintegration bestimmt wird, sondern über die Änderung der Ruhespannungen, entfällt auch die sonst typische Aufintegration des Strommessfehlers.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform.
1 zeigt einen beispielhaften funktionalen Zusammenhang zwischen Ruhespannung und Ladezustand für eine Batteriezelle, die in Ausführungsformen der Erfindung verwendet wird.
2 zeigt einen Teil einer Batterie und einen Teil einer Entladeschaltung, die mit der Batterie verbunden werden kann, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen.
1 zeigt einen beispielhaften funktionalen Zusammenhang zwischen Ruhespannung (U_OCV) und Ladezustand (SOC) für eine Batteriezelle, die in Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden kann.
Wie gezeigt beträgt die Ruhespannung etwa 2,5V bei einem Ladezustand von 0%, das heißt bei einer völlig entladenen Batteriezelle. Die Ruhespannung nimmt mit zunehmendem Ladezustand zu und beträgt etwa 4,2V bei einem Ladezustand von 100% (voll aufgeladener Batteriezelle). Wie es auch zu erkennen ist, besteht ein eindeutiger Zusammenhang zwischen Ruhespannung und Ladezustand, so dass für eine gemessene Ruhespannung der entsprechende Ladezustand eindeutig bestimmt werden kann. Der in 1 gezeigte funktionale Zusammenhang kann als eine Tabelle korrespondierender Werte gespeichert werden, zum Beispiel in einem computerlesbaren Speicher, so dass ein Computer bei Bedarf darauf zugreifen kann.
2 zeigt einen Teil einer Batterie 10 und einen Teil einer Entladeschaltung 20, die mit der Batterie 10 verbunden werden kann, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Die Batterie 10 besteht aus mehreren in Reihe geschalteten Batteriezellen 12, 14, 16. Die Anzahl von Batteriezellen 12, 14, 16 hängt von der Spannung der einzelnen Batteriezellen 12, 14, 16 und der benötigten Gesamtspannung der Batterie 10 ab. Die 2 zeigt 3 Batterieelemente 12, 14, 16, aber es wird verstanden, dass die tatsächliche Anzahl auch größer sein kann.
Die Entladeschaltung 20 weist Schalter 22, 23, 24 und Widerstände 26, 27, 28 auf. Die Schalter 22, 23, 24 sind elektronisch steuerbar und dienen dazu, die Widerstände 26, 27, 28 wahlweise in parallel mit einer entsprechenden Batteriezelle 12, 14, 16 zu schalten, um diese zu entladen. Ein Schließen der Schalter 22 und 23 erlaubt zum Beispiel, dass die Batteriezelle 14 durch den Widerstand 27 entladen wird. In ähnlicher Weise erlaubt ein Schließen der Schalter 23 und 24, dass die Batteriezelle 16 durch den Widerstand 28 entladen wird.
Mit Bezugnahme auf die oben beschriebenen Figuren wird jetzt der Ablauf einer Kapazitätsbestimmung in einem Fahrzeug mit Elektro- oder Hybridantrieb erläutert. Das Fahrzeug weist eine Batterie 10 mit insgesamt n Batteriezellen 12, 14, 16 auf. Das Fahrzeug weist ferner eine Entladeschaltung 20 auf, die die benötigte Anzahl von Schaltern 22, 23, 24 und Widerständen 26, 27, 28 aufweist, um die n Batteriezellen wahlweise zu entladen. Endlich weist das Fahrzeug eine Steuereinheit auf, die dazu angepasst ist, die Entladeschaltung sowie Einheiten zum Messen von Spannungen usw. zu steuern. Die Steuereinheit besteht vorzugsweise aus einem Prozessor, Speicher und benötigten Schnittstellen.
Die Kapazitätsbestimmung beginnt damit, dass das Fahrzeug nach einer Betriebspause eingeschaltet wird, die ausreichend lang war, um die n Batteriezellen 12, 14, 16 der Batterie 10 in Ruhe zu bringen. Als erstes werden dann die Ruhespannungen U_OCV,i für jede der n Batteriezellen 12, 14, 16 gemessen und die entsprechenden ersten Ladezustände SOC_1,i mittels des in 1 dargestellten Zusammenhangs bestimmt und abgespeichert, das heißt: SOC_1,i = SOC_OCV(U_OCV,i)
Als nächstes wird ein Teil (erster Satz) der n Batteriezellen 12, 14, 16 ausgewählt. Die Anzahl der ausgewählten Batteriezellen 12, 14, 16 wird als m bezeichnet, wobei m < n.

(*)
Dann wird die Entladeschaltung 20 von der Steuereinheit derart angesteuert, dass ein Widerstand 26, 27, 28 parallel mit jeder ausgewählten Batteriezelle 12, 14, 16 geschaltet wird, so dass diese zusätzlich zu der durch das Fahrzeug entnommenen Ladung durch den entsprechenden Widerstand entladen wird. Während des Entladens wird die Spannung U_k jeder der ausgewählten Batteriezellen 12, 14, 16 regelmäßig erfasst und gespeichert und zum Schluss berechnet die Steuereinheit anhand der erfassten Spannungswerte eine durchschnittliche Spannung für jede der ausgewählten Batteriezellen, das heißt:
Der Index k bezeichnet hier die ausgewählten Batteriezellen. Dann wird das Fahrzeug abgestellt und ausgeschaltet.
Nach einer weiteren Betriebspause, die ausreichend lang war, um die n Batteriezellen 12, 14, 16 der Batterie 10 in Ruhe zu bringen, wird das Fahrzeug wieder gestartet. Die Ruhespannungen U_OCV,i für jede der n Batteriezellen 12, 14, 16 werden erneut gemessen und die entsprechenden zweiten Ladezustände SOC_2,i werden mittels des in 1 dargestellten Zusammenhangs bestimmt und abgespeichert, das heißt: SOC_2,i = SOC_OCV(U_OCV,i)
Dann wird für jede Batteriezelle 12, 14, 16, die nicht in dem ersten Satz enthalten ist und mit dem Index j gekennzeichnet ist, die Ladungsänderung seit Beginn des ersten Betriebs wie folgt berechnet:
wobei K_j den letzten abgespeicherten Wert für die Kapazität der Batteriezelle j bezeichnet.
Basierend auf den berechneten Ladungsänderungen wird eine durchschnittliche Ladungsänderung für die n – m Batteriezellen 12, 14, 16, die nicht in dem ersten Satz enthalten sind, dann wie folgt berechnet:
Als nächstes wird für jede der ausgewählten Batteriezellen 12, 14, 16 die durch das Entladen verursachte Ladungsänderung ΔQ_E,k wie folgt berechnet:
wobei der Index k wieder eine ausgewählte Batteriezelle bezeichnet, T_E die Entladungszeitdauer und R_E den elektrischen Widerstand des mit der Batteriezelle parallel geschalteten Widerstands 26, 27, 28.
Endlich wird für jede der ausgewählten Batteriezellen 12, 14, 16 die aktuelle Kapazität K_k berechnet und gespeichert:
Das ganze Verfahren kann jetzt wiederholt werden, um die Kapazitäten für die gleiche oder eine andere Auswahl von Batteriezellen 12, 14, 16 zu bestimmen. Dafür wird jetzt ein (zweiter) Satz von Batteriezellen 12, 14, 16 ausgewählt, wobei die Anzahl der ausgewählten Batteriezellen wiederum mit m bezeichnet wird, obwohl die Anzahl von Batteriezellen in dem zweiten Satz nicht notwendigerweise gleich der Anzahl von Batteriezellen in dem ersten (früheren) ausgewählten Satz von Batteriezellen sein muss.
Dann wird das ganze Verfahren ab dem obigen Zeichen (*) wiederholt, wobei die oben verwendeten ersten Ladezustände SOC_1,i durch die neuesten (zweiten) Ladezustände SOC_2,i zu ersetzen sind, das heißt: SOC_1,i -> SOC_2,i.
Das Auswählen der einzelnen Batteriezellen, die entladen werden sollen, um deren aktuelle Kapazität zu bestimmen, kann so implementiert werden, dass alle Batteriezellen regelmäßig ausgewählt werden oder so dass Batteriezellen, die schon einen Kapazitätsverlust gegenüber dem Neuzustand aufweisen, häufiger ausgewählt werden als Batteriezellen, deren Kapazität immer noch nahe an der vom Hersteller angeführten Kapazität ist.
Das Verfahren kann verfeinert werden, indem die neuen Kapazitätswerte weiter gefiltert werden, z.B. durch Pufferung und Summierung von 10 aufeinanderfolgenden Kapazitätswerten zum Ausschluss von Fehlmessungen und Verkleinerung des Einflusses von Messabweichungen. Wenn sich die Batteriezellen beim Start des Gerätes nicht im Ruhezustand befinden, kann kein Update der Zellkapazität stattfinden. Mit Hilfe des Verfahrens können aus bekannten Anfangswerten für die Kapazitäten der Zellen, z.B. der Nominalwert, die Kapazitätswerte aktualisiert werden.
Mit der oben beschriebenen Erfindung wird es möglich gemacht, die Kapazität von Batteriezellen einer Batterie im Betrieb zu aktualisieren. Dadurch entfällt u.a. der Energieverbrauch bei Nichtbetrieb und mögliche Sicherheitsrisiken eines abgestellten Fahrzeugs durch autonom aktivierte Steuergeräte werden minimiert. Die bisher bestimmten Kapazitäten von Einzelzellen einer Batterie werden verwendet, um neue Kapazitätswerte für einzelne Batteriezellen zu bestimmen.
Abschließend das hier beschriebene Verfahren verkürzt dargestellt, wobei die Bezugszeichen lediglich zur Zuordnung zu Zeichnungselementen der Ausführungsformen zum besseren Verständnis dienen, jedoch nicht die betreffenden Komponenten auf spezifische Darstellungsformen beschränken sollen.
Das Verfahren sieht vor, dass die Kapazität einer Batterie (10) mit einer Mehrzahl von Batteriezellen (12, 14, 16) bestimmt wird. Die Batterie versorgt mindestens ein Gerät Es wird (a) ein erster Ladezustands für jede Batteriezelle bestimmt, (b) ein erster Satz Batteriezellen ausgewählt und (c) jede Batteriezelle des ersten Satzes in einem ersten Betriebs des Geräts entladen mittels Entladungselemente. Es wird (d) ein zweiter Ladezustands für die Batteriezellen nach dem ersten Betrieb des Geräts bestimmt, (e) eine durchschnittliche Ladungsänderung für nicht in dem ersten Satz enthalten Batteriezellen bestimmt, und (f) eine resultierende Ladungsänderung für jede Batteriezelle des ersten Satzes bestimmt. Schließlich wird (g) eine Kapazität für jede Batteriezelle des ersten Satzes basierend auf: (ga) der durchschnittlichen Ladungsänderung für nicht in dem ersten Satz enthaltene Batteriezellen, (gb) der bestimmten Ladungsänderung und (gc) einer Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Ladezustand bestimmt.
Bezugszeichenliste

U_OCV: Ruhespannung
SOC: Ladezustand
10: Batterie
12: Batteriezelle
14: Batteriezelle
16: Batteriezelle
20: Entladeschaltung
22: Schalter
23: Schalter
24: Schalter
26: Widerstand
27: Widerstand
28: Widerstand

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Kapazität einer Batterie (10), die eine Mehrzahl von Batteriezellen (12, 14, 16) aufweist und zum Versorgen eines Geräts mit elektrischer Energie während dessen Betriebs verwendet wird, das Verfahren aufweisend Bestimmen eines ersten Ladezustands für jede der Mehrzahl von Batteriezellen, Auswählen eines ersten Satzes von Batteriezellen aus der Mehrzahl von Batteriezellen, Entladen jeder Batteriezelle des ersten Satzes während eines ersten Betriebs des Geräts, wobei das Entladen der jeweiligen Batteriezellen mittels entsprechender Entladungselemente (22, 23, 24, 26, 27, 28) stattfindet, Bestimmen eines zweiten Ladezustands für jede der Mehrzahl von Batteriezellen nach Abschluss des ersten Betriebs des Geräts, Bestimmen einer durchschnittlichen Ladungsänderung für die Batteriezellen, die nicht in dem ersten Satz von Batteriezellen enthalten sind, Bestimmen einer durch das Entladen jeder Batteriezelle des ersten Satzes verursachten Ladungsänderung für jede Batteriezelle des ersten Satzes von Batteriezellen, und Bestimmen einer Kapazität für jede Batteriezelle des ersten Satzes von Batteriezellen basierend auf (a) der bestimmten durchschnittlichen Ladungsänderung für die Batteriezellen, die nicht in dem ersten Satz von Batteriezellen enthalten sind, (b) der für die jeweilige Batteriezelle bestimmten durch das Entladen verursachten Ladungsänderung und (c) einer Differenz zwischen dem ersten Ladezustand und dem zweiten Ladezustand für die jeweilige Batteriezelle.
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Bestimmen des ersten Ladezustands ein Bestimmen einer ersten Ruhespannung für jede Batteriezelle und das Bestimmen des zweiten Ladezustands ein Bestimmen einer zweiten Ruhespannung für jede Batteriezelle aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Satz von Batteriezellen zumindest eine aber nicht alle Batteriezellen der Mehrzahl von Batteriezellen aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend ein Bestimmen eines Mittelwerts der Spannung für jede Batteriezelle des ersten Satzes in Verbindung mit dem Entladen dieser Batteriezellen.
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die durch das Entladen jeder Batteriezelle des ersten Satzes verursachte Ladungsänderung für jede Batteriezelle des ersten Satzes basierend auf (a) dem Mittelwert der Spannung für die jeweilige Batteriezelle, (b) der Zeitdauer des Entladens und (c) einem elektrischen Widerstand (26, 27, 28) des entsprechenden Entladungselements bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die durchschnittliche Ladungsänderung für die Batteriezellen, die nicht in dem ersten Satz von Batteriezellen enthalten sind, basierend auf einer Differenz zwischen dem ersten Ladezustand und dem zweiten Ladezustand sowie einer Kapazität für jede Batteriezelle, die nicht in dem ersten Satz enthalten ist, bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend Auswählen eines zweiten Satzes von Batteriezellen aus der Mehrzahl von Batteriezellen, Entladen jeder Batteriezelle des zweiten Satzes von Batteriezellen während eines zweiten Betriebs des Geräts, wobei das Entladen der jeweiligen Batteriezellen mittels entsprechender Entladungselemente stattfindet, Bestimmen eines dritten Ladezustands für jede der Mehrzahl von Batteriezellen nach Abschluss des zweiten Betriebs des Geräts, Bestimmen einer durchschnittlichen Ladungsänderung für die Batteriezellen, die nicht in dem zweiten Satz von Batteriezellen enthalten sind, Bestimmen einer durch das Entladen jeder Batteriezelle des zweiten Satzes verursachten Ladungsänderung für jede Batteriezelle des zweiten Satzes von Batteriezellen, und Bestimmen einer Kapazität für jede Batteriezelle des zweiten Satzes von Batteriezellen basierend auf (a) der bestimmten durchschnittlichen Ladungsänderung für die Batteriezellen, die nicht in dem zweiten Satz von Batteriezellen enthalten sind, (b) der für die jeweilige Batteriezelle bestimmten durch das Entladen verursachten Ladungsänderung und (c) einer Differenz zwischen dem zweiten Ladezustand und dem dritten Ladezustand für die jeweilige Batteriezelle.
Vorrichtung zum Bestimmen der Kapazität einer Batterie (10), die eine Mehrzahl von Batteriezellen (12, 14, 16) aufweist und zum Versorgen eines Geräts mit elektrischer Energie während dessen Betriebs verwendet wird, die Vorrichtung aufweisend eine Mehrzahl von Entladungselementen (22, 23, 24, 26, 27, 28), wobei jedes Entladungselement zum Verbinden mit einer der Batteriezellen angepasst ist, eine Ladezustandsermittlungseinheit zum Ermitteln eines Ladezustands für jede der Mehrzahl von Batteriezellen, und eine Steuereinheit, die angepasst ist zum: Bestimmen eines ersten Ladezustands für jede der Mehrzahl von Batteriezellen unter Verwendung der Ladezustandsermittlungseinheit, Auswählen eines ersten Satzes von Batteriezellen aus der Mehrzahl von Batteriezellen, Entladen jeder Batteriezelle des ersten Satzes von Batteriezellen während eines ersten Betriebs des Geräts mittels der entsprechenden Entladungselemente, Bestimmen eines zweiten Ladezustands für jede der Mehrzahl von Batteriezellen unter Verwendung der Ladezustandsermittlungseinheit nach Abschluss des ersten Betriebs des Geräts, Bestimmen einer durchschnittlichen Ladungsänderung für die Batteriezellen, die nicht in dem ersten Satz von Batteriezellen enthalten sind, Bestimmen einer durch das Entladen jeder Batteriezelle des ersten Satzes verursachten Ladungsänderung für jede Batteriezelle des ersten Satzes von Batteriezellen, und Bestimmen einer Kapazität für jede Batteriezelle des ersten Satzes von Batteriezellen basierend auf (a) der bestimmten durchschnittlichen Ladungsänderung für die Batteriezellen, die nicht in dem ersten Satz von Batteriezellen enthalten sind, (b) der für die jeweilige Batteriezelle bestimmten durch das Entladen verursachten Ladungsänderung und (c) einer Differenz zwischen dem ersten Ladezustand und dem zweiten Ladezustand für die jeweilige Batteriezelle.
Motorsteuerung für ein Fahrzeug, die angepasst ist zum Verwenden eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.
Computerprogramm, welches, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, eingerichtet ist, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.