DE102014220153A1

DE102014220153A1 - Verfahren zur Überwachung des Zustands einer Batterie in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102014220153A1
Application number: DE102014220153.5A
Authority: DE
Inventors: Mark Eifert; Eckard Karden
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-10-06
Filing date: 2014-10-06
Publication date: 2016-04-07
Also published as: CN105489956A; US20160097821A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Zustands einer Batterie eines Kraftfahrzeugs, mit dem interne Korrosion der Batterie identifiziert werden kann. Dabei wird der Wasserverlust der Batterie mittels eines Modells geschätzt und eine Auswerteeinheit erzeugt ein Alarmsignal, wenn der geschätzte Wasserverlust einen definierten Grenzwert überschreitet. Das Wasserverlustmodell sieht insbesondere vor, dass die bei der Ladestrategie der Batterie verwendete z-Kurve und die Batterietemperatur herangezogen werden, und der Massenstrom des Wasserverlusts aufgrund einer Gasentwicklung in Abhängigkeit von der verwendeten z-Kurve und der Batterietemperatur aus einer in der Auswerteeinheit hinterlegten Korrelation wenigstens zwischen dem Massenstrom des Wasserverlusts aufgrund einer Gasentwicklung, einer z-Kurve der Ladestrategie und der Batterietemperatur bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Zustands einer Batterie eines Kraftfahrzeugs, mit dem interne Korrosion der Batterie identifiziert wird.
Bei der überwachten Batterie handelt es sich beispielsweise um eine Starterbatterie. Die Starterbatterie eines Kraftfahrzeugs ist ein Akkumulator, der den elektrischen Strom für den Anlasser eines Verbrennungsmotors liefert. Die Batterie eines Elektrofahrzeugs, welche für den Antrieb des Fahrzeugs dient, wird dagegen als Traktionsbatterie bezeichnet. Ergänzend können Elektrofahrzeuge oder Hybrid-Fahrzeuge auch eine Starterbatterie aufweisen. Als Batterien können beispielsweise Bleiakkumulatoren eingesetzt werden, welche jedoch im Folgenden auch als Bleibatterien bezeichnet werden.
Wenn eine Bleibatterie altert, können als Begleiterscheinung interne Korrosion und ein hoher Innenwiderstand auftreten. Außerdem kann bei Batterien, welche die genannten Symptome zeigen, davon ausgegangen werden, dass sie voraussichtlich in absehbarer Zeit ausfallen werden. Aufgrund des hohen Innenwiderstands und Kapazitätsschwunds sind sie beispielsweise nicht mehr in der Lage, Energie mit einer ausreichenden Spannung zum Anlassen des Fahrzeugs bereitzustellen. Zudem bewirken elektrische Lasten, die mehr Strom ziehen als die Lichtmaschine oder der DCDC-Wandler des Fahrzeugs zuzuführen ausgelegt ist, Spannungstransienten an den Batterieanschlüssen während der Entladung, was die elektrische Funktionalität dieser oder anderer Lasten verschlechtern kann. Beispielsweise können die Transienten bewirken, dass Steuerungen im Fahrzeug heruntergefahren und neugestartet werden, wenn ihre Niederspannungsbetriebsgrenzen verletzt werden.
Solche Ausfälle an Funktionalität einer Batterie und damit eines Fahrzeugs sollten unbedingt vermieden werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein Fahrer oder Servicepersonal früh genug auf einen bevorstehenden Batterieausfall aufmerksam gemacht wird. Hierzu muss der Zustand der Batterie überwacht werden, was anhand verschiedener Parameter erfolgen kann.
Wenn der Elektrolytpegel unter die Platten sinkt, fällt ebenfalls die Kapazität ab und der Innenwiderstand steigt. Die resultierenden Fehlermodi gleichen jenen aufgrund von Korrosion und können als Verschlechterung elektrischer Funktionalität beim Anlassen und Hochstromtransienten zusammengefasst werden. Insbesondere die interne Korrosion der Batterie und eine Gasentwicklung spielen dabei eine Rolle. Aufgrund von Zusammenhängen zwischen der Ladespannung, der Temperatur, einer Gasreaktion und der Korrosionsbildung korreliert die interne Korrosion stark mit dem Wasserverlust der Batterie. Wenn ein hoher Wasserverlust detektiert wird, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass Korrosion vorliegt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Überwachung des Zustands einer Batterie bereitzustellen, mit dem interne Korrosion festgestellt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 2–6.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Überwachung des Zustands einer Batterie eines Kraftfahrzeugs kann interne Korrosion der Batterie identifiziert werden. Dabei ist vorgesehen, dass der Wasserverlust der Batterie mittels eines Modells geschätzt wird und eine Auswerteeinheit ein Alarmsignal erzeugt, wenn der geschätzte Wasserverlust einen definierten Grenzwert überschreitet.
Die Erfindung umfasst somit einen Algorithmus, der den Wasserverlust der Batterie über ein Wasserverlustmodell voraussagt, wobei ein Wasserverlust oberhalb eines definierten Grenzwerts auf interne Korrosion der Batterie schließen lässt. Der Wasserverlust muss jedoch nicht aufwendig gemessen werden, sondern er kann anhand eine Modells geschätzt werden. Ein Alarmsignal kann dann auf unterschiedliche Arten verwertet werden. Bei einem Alarmsignal der Auswerteeinheit erscheint beispielsweise ein Warnhinweis im Bereich des Armaturenbretts eines Fahrzeugs, was durch eine Warnleuchte realisiert werden kann. So ist der Fahrer eines Fahrzeugs über den kritischen Zustand der Batterie informiert und kann entsprechende Gegenmaßnahmen veranlassen. Servicepersonal kann dabei zu Diagnosezwecken durch Fehlercodes informiert werden. Die Behebung für diesen Fehlermodus wäre, den Wasserpegel und Zustand der Batterie zu prüfen.
Das Modell zur Schätzung des Wasserverlusts sieht insbesondere vor, dass der Massenstrom des Wasserverlusts aufgrund einer Gasentwicklung in der Batterie fortlaufend geschätzt und über die Lebensdauer der Batterie integriert wird. Dabei nutzt das Modell beispielsweise die Batterieladespannung und die Batterietemperatur als Eingangsgrößen. In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass bei dem Modell wenigstens die bei der Ladestrategie der Batterie verwendete z-Kurve und die Batterietemperatur herangezogen werden, und der Massenstrom des Wasserverlusts aufgrund einer Gasentwicklung in Abhängigkeit von der verwendeten z-Kurve und der Batterietemperatur aus einer in der Auswerteeinheit hinterlegten Korrelation wenigstens zwischen dem Massenstrom des Wasserverlusts aufgrund einer Gasentwicklung, einer z-Kurve der Ladestrategie und der Batterietemperatur bestimmt wird.
Die z-Kurve einer Ladestrategie gibt den temperaturabhängigen Spannungssollwert an, der dafür ausgelegt ist, die Batterie bis zu einem Zielladezustand aufzuladen. Dieser liegt oftmals bei 100%. Die z-Kurve einer Batterie definiert dabei das Ausgleichsladen, wobei beim Ausgleichladen ein Spannungssollwert verwendet wird, der ein vollständiges Laden aller Zellen in einem Bleiakkumulator erleichtert. Dieser ist für gewöhnlich temperaturabhängig und häufig derart definiert, dass die Gasentwicklung unter einem maximalen Konstruktionswert in der Mitte des definierten Temperaturbereichs liegt. Diese z-Kurve einer Batterie kann vom Batteriehersteller erhalten oder durch den Fahrzeughersteller definiert werden, um in einem gegebenen Zielfahrzeug mit einem vorausgesagten Benutzungsprofil gut zu funktionieren.
Dabei definiert die z-Kurve die Spannung an den Anschlussklemmen der Batterie.
Die Korrelation der genannten Größen ist beispielsweise in einer ein- oder mehrdimensionalen Bezugstabelle hinterlegt, aus welcher die Auswerteeinheit bei Kenntnis verschiedener Größen den Massenstrom des Wasserverlusts aufgrund einer Gasentwicklung entnehmen kann. Verwendet die Ladestrategie der Batterie mehrere z-Kurven und wechselt zwischen diesen z-Kurven, indem jeweils eine z-Kurve aktiviert wird, wird für die Schätzung des Wasserverlusts die jeweils aktive z-Kurve der Ladestrategie verwendet. Informationen über die jeweils aktive z-Kurve können aus der Ladestrategie selbst hergeleitet werden. Steht diese Information nicht zur Verfügung, kann die jeweils aktive z-Kurve der Ladestrategie auch ermittelt werden, indem die Batterieladespannung und die Batterietemperatur überwacht werden und ermittelt wird, welche z-Kurve dem ermittelten Messwertpaar aus Batterieladespannung und Batterietemperatur am nächsten kommt. Anhand gemessener Größen wie der Batterieladespannung und die Batterietemperatur wird so auf eine wahrscheinliche z-Kurve geschlossen, welche zu diesen Messwerten passt.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Massenstrom des Wasserverlusts aufgrund einer Gasentwicklung auch in Abhängigkeit vom Ladezustand der Batterie (SOC – State of Charge) in der Bezugstabelle hinterlegt ist. In einer Ausführungsform der Erfindung gibt die in der Auswerteeinheit hinterlegte Korrelation dann den Massenstrom des Wasserverlusts aufgrund einer Gasentwicklung in Abhängigkeit von dem Ladezustand der Batterie, der aktiven z-Kurve der Ladestrategie der Batterie und der Batterietemperatur an.
Die Batterietemperatur und die Batterieladespannung können beispielsweise mit einem konventionellen Polnischensensor ermittelt werden, der als Batterieüberwachungssensor (Battery Monitoring Sensor – BMS) dient. Die so gemessenen Werte können der Auswerteeinheit von einem Sensor direkt oder indirekt übermittelt werden. Ferner muss die Auswerteinheit kein eigenständiges Modul sein, sondern ihre Funktionalität kann auch durch das Zusammenwirken mehrerer Einzelmodule gebildet werden. Das von der Auswerteeinheit erzeugte Alarmsignal kann dabei auf verschiedene Arten verarbeitet werden.
Die Erfindung eignet sich insbesondere zum zuverlässigen Erkennen von übermäßigem Wasserverlust und damit interner Korrosion in Bleibatterien (z.B. Anlasser, Beleuchtung, Zündung) in Kraftfahrzeugen. Diese Symptome zeigen das Ende der Lebensdauer der Batterie an und könnten zum Batterieausfall führen. Die Erfindung kann aber auch auf andere Anwendungen, beispielsweise auf die Überwachung von Bleibatterien in Stromversorgungssystemen von Luftfahrzeugen oder Wasserfahrzeugen, ausgedehnt werden.
Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.
Von den Abbildungen zeigt:
1 das Schema eines von dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Algorithmus, bei dem der Wasserverlusts aufgrund seines integrierten Massenstromes geschätzt wird;
2 das Schema eines von dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Algorithmus, bei dem der Ladezustand der Batterie berücksichtigt wird; und
3 das Schema einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überwachung einer Batterie.
Ein Algorithmus, der den Batteriewasserverlust M_WaterLoss aufgrund einer Gasentwicklung bzw. Gasbildung abschätzt, ist in 1 gezeigt, wobei der Algorithmus von einer Auswerteeinheit des Fahrzeugsystems angewendet werden kann. Der Algorithmus setzt zur maximalen Genauigkeit einen hohen Ladezustand (SOC – State of Charge) der Batterie voraus und ist insbesondere bei Bleibatterien anzuwenden. Der Algorithmus sieht vor, dass mit der Batterietemperatur T und der aktiven z-Kurve 11 einer Ladestrategie 10 der Batterie in einer Bezugstabelle 20 (look-up table) der temperaturabhängige Massenstrom des Wasserverlusts ṁ_WL bestimmt wird. Dieser wird über die Lebensdauer der Batterie integriert.
Im Falle einer einfachen Batterieladestrategie mit einer einzigen z-Kurve ist die Bezugstabelle 20, aus welcher der temperaturabhängige Massenstrom des Wasserverlusts ṁ_WL bestimmt wird, eindimensional (Massenstrom des Wasserverlusts: ṁ_WL(T) ). Wenn mehr als eine z-Kurve verwendet wird und die Ladestrategie zwischen diesen wechselt, wird vorausgesetzt, dass die Bezeichnung der jeweils aktiven z-Kurve bzw. ihr Index dem Algorithmus zugeführt wird (Massenstrom des Wasserverlusts: ṁ_WL(T, ZCurve Index) ).
Wenn die Wahl der z-Kurve aufgrund von Implementierungsbeschränkungen für den Algorithmus nicht verfügbar ist, kann die aktive z-Kurve auch durch Überwachen der Batterieladespannung U_L und der Batterietemperatur T ermittelt werden. Dabei wird ermittelt, welche z-Kurve diesen Messwerten am ehesten entspricht. Alternativ kann die Wasserverlustrate für jede mögliche Ladespannung bestimmt werden. Unter der Voraussetzung, dass diese mit Testversuchen bestimmt werden, kann die Genauigkeit des Algorithmus durch Messen von Gasbildung in verschiedenen Ladezuständen (SOC), sowie Temperaturen T und Ladespannungen U_L verbessert werden (siehe 2). In diesem Falle wäre die Bezugstabelle 20 dreidimensional.
Ein beispielhafter Algorithmus zum Identifizieren von hohen Wasserverlustraten und Korrosion ist in 3 dargestellt. Wird die Stromversorgung im Schritt 3.1 gestartet, vergleicht der Identifikationsalgorithmus der Auswerteeinheit fortlaufend die aktuelle Voraussage des Wasserverlusts M_WaterLoss mit kalibrierten Grenzwerten WLThresh für den Wasserverlust und WLCorrosionThresh für die Korrosion. Wenn der vorausgesagte Wasserverlust M_WaterLoss den Grenzwert WLCorrosionTresh übersteigt, wird im Schritt 3.2 der entsprechende Hinweis (Flag) oder die entsprechende Warnung für interne Korrosion aktiviert. Wenn der vorausgesagte Wasserverlust M_WaterLoss den Grenzwert WLTresh übersteigt, wird im Schritt 3.3 der entsprechende Hinweis (Flag) oder die entsprechende Warnung für zu hohen Wasserverlust und damit niedriges Elektrolyt aktiviert. Dabei können die Grenzwerte unterschiedlich sein, abhängig von der Batteriebauform. D.h., der Grenzwerte für den Wasserverlust ist üblicherweise niedriger, muß es aber nicht sein. Sobald die Stromversorgung im Schritt 3.4 deaktiviert wird, wird im Schritt 3.5 der Wert des Wasserverlusts M_WaterLoss als neuer Startwert M_WLO für die Integration des Wasserverlusts gespeichert.

Claims

Verfahren zur Überwachung des Zustands einer Batterie eines Kraftfahrzeugs, mit dem interne Korrosion der Batterie identifiziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserverlust der Batterie mittels eines Modells geschätzt wird und eine Auswerteeinheit ein Alarmsignal erzeugt, wenn der geschätzte Wasserverlust einen definierten Grenzwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell zur Schätzung des Wasserverlusts vorsieht, dass der Massenstrom des Wasserverlusts aufgrund einer Gasentwicklung in der Batterie fortlaufend geschätzt und über die Lebensdauer der Batterie integriert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Modell wenigstens die bei der Ladestrategie der Batterie verwendete z-Kurve und die Batterietemperatur herangezogen werden, und der Massenstrom des Wasserverlusts aufgrund einer Gasentwicklung in Abhängigkeit von der verwendeten z-Kurve und der Batterietemperatur aus einer in der Auswerteeinheit hinterlegten Korrelation wenigstens zwischen dem Massenstrom des Wasserverlusts aufgrund einer Gasentwicklung, einer z-Kurve der Ladestrategie und der Batterietemperatur bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils aktive z-Kurve der Ladestrategie verwendet wird, falls die Ladestrategie mehrere z-Kurven verwendet und zwischen diesen z-Kurven wechselt, indem jeweils eine z-Kurve aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive z-Kurve der Ladestrategie ermittelt wird, indem die Batterieladespannung und die Batterietemperatur überwacht werden und ermittelt wird, welche z-Kurve dem ermittelten Messwertpaar aus Batterieladespannung und Batterietemperatur am nächsten kommt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Auswerteeinheit hinterlegte Korrelation den Massenstrom des Wasserverlusts aufgrund einer Gasentwicklung in Abhängigkeit von dem Ladezustand der Batterie, der aktiven z-Kurve der Ladestrategie der Batterie und der Batterietemperatur angibt.