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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Alterungszustandes einer
Batterie, insbesondere einer Blei-Säure-Batterie.
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Es sind bereits Verfahren zur Ermittlung
des Ladezustands einer Batterie bekannt. Das Ergebnis dieser Verfahren
sind Aussagen darüber,
wie groß die
aktuell zur Verfügung
stehende Batteriekapazität ist.
Information über
den Alterungszustand der jeweils vorliegenden Batterie können mittels
dieser Verfahren nicht gewonnen werden. Dies ist nachteilig, da
für viele
Anwendungen Informationen über
den Alterungszustand der jeweiligen Batterie wichtig sind.
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Aus der
EP 0 471 698 B1 ist ein
Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands und weiterer physikalischer
Größen eines
wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichers bekannt. Bei diesem
bekannten Verfahren werden Prozesseingangsgrößen des Energiespeichers gemessen
und in einem Rechner verarbeitet. Dabei wird nach dem Prinzip des
indirekten Messens ein vorgebbares Modell, in Form nicht-linearer
mehrparametriger Funktionen, das den Ladungszustand und die zu bestimmenden
physikalischen Größen und
ihre physikalischen Beziehungen zueinander repräsentiert, mit den gemessenen
Prozesseingangsgrößen verglichen.
Im Falle von Abweichungen werden für die nachfolgende Messung
die Modellparameter adaptiert. Zur Ermittlung des Ladezustandes
und der zu bestimmenden physikalischen Größen wird eine vielparametrige
Beschreibung in Form des Modells und eine heuristische Parametrierung
verwendet. Dabei weist diese Beschreibung mehr Parameter auf als
Prozesseingangsgrößen. Zunächst wird
die unterbestimmte Lösungsmenge des
Modells und dann der Ladungszustand und die weiteren physikalischen
Größen mit
Hilfe der Parametrierung als Schätzung
unter Verwendung von Kennlinien und Daten bekannter Energiespeicher
bestimmt.
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Weiterhin sind aus der
US 6,160,382 und der dazu korrespondierenden
WO 00/31557 ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Bestimmung charakteristischer Parameter
eines Ladungsspeichers bekannt. Diese basieren auf einer in einem
großen
Frequenzbereich erfolgenden Impedanzmessung und einem nichtlinearen
Modell, wobei die Parameter des nichtlinearen Modells die Charakteristika
verschiedener Ladungsspeichertypen beschreiben.
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Aus der
DE 199 36 542 A1 ist ein
Verfahren zur Bestimmung des Alterungszustandes einer Gebrauchsbatterie,
insbesondere einer Gebrauchsbatterie mit einer Batteriekapazität größer 45 Ah,
bekannt. Gemäß diesem
bekannten Verfahren werden die Durchtrittskapazität der Gebrauchsbatterie
auf der Grundlage einer Impedanzmessung bestimmt und Informationen über den
Alterungszustand der Gebrauchsbatterie aus der Durchtrittskapazität abgeleitet.
Dabei werden die Klemmen der Gebrauchsbatterie mit Wechselspannungen
bzw. Wechselströmen verschiedener
Frequenzen beaufschlagt, die beispielsweise in einem Bereich von
10
–2 bis
10
–4 Hz
liegen. Die Impedanz wird in einen imaginären und einen realen Anteil
aufgespaltet, wobei der imaginäre Anteil
als Funktion des realen Anteils betrachtet wird. Die Durchtrittskapazität wird aus
den Extrema dieser Funktion ermittelt.
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Ein Verfahren und eine Vorrichtung
gemäß der Erfindung
weisen demgegenüber
den Vorteil auf, dass lediglich eine Periodendauermessung erfolgen muss
und aus der gemessenen Periodendauer mittels eines einfachen Rechenvorganges
die Durchtrittskapazität
ermittelt werden kann. Der zur Realisierung der Erfindung zu treibende
Aufwand ist gering. Dennoch wird eine hohe Genauigkeit erzielt.
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Dies wird dadurch erreicht, dass
zur Ermittlung der Doppelschicht- bzw. Durchtrittskapazität parallel
zur Batterie eine Spule geschaltet wird, wodurch ein Schwingkreis
entsteht. Mit zunehmender Alterung der Batterie verringert sich
die Doppelschichtkapazität
und die Eigenfrequenz des Schwingkreises ändert sich. Unter Verwendung
eines schnellen Zählers
wird die der Eigenfrequenz des Schwingkreises entsprechende Periodendauer gemessen.
Aus der gemessenen Periodendauer und der bekannten Induktivität der Spule
ist durch einen einfachen Rechenvorgang die Doppelschichtkapazität ermittelbar.
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Dies erfolgt vorzugsweise in einem
Messzeitintervall, in welchem alle anderen großen Verbraucher abgeschaltet
sind, vorzugsweise im Nachlauf. Zur Einleitung des Messvorganges
wird die Spule durch Betätigung
eines Schalters parallel zur Batterie geschaltet. Nach Ablauf des
Messzeitintervalles wird der Schalter wieder geöffnet und dadurch der Schwingkreis
wieder aufgetrennt.
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Nachfolgend wird anhand der Zeichnung
ein Ausführungsbeispiel
für die
Erfindung näher
erläutert.
Die Figur zeigt ein Diagramm mit den zum Verständnis der Erfindung notwendigen
Bauteilen einer Vorrichtung zur Bestimmung des Alterungszustandes einer
Batterie.
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Beschreibung
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Die gezeigte Vorrichtung weist eine
Batterie 1, beispielsweise eine Blei-Säure-Batterie, ein Steuergerät 2, einen
Generator 3 und Verbraucher 4 auf. Zum Steuergerät 2 gehören eine
Spule 5, ein Schalter 6, eine Auswerteeinheit 7 und
eine Sensorik 8.
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Die Verbraucher 4, die beispielsweise
in einem Kraftfahrzeug angeordnet sind, werden in bekannter Weise
aus der Batterie 1 und dem Generator 3 mit Energie
versorgt. Dabei erfolgt im Betrieb des Kraftfahrzeugs, also während der
Fahrt, die Versorgung der Verbraucher 4 aus dem Generator.
Weiterhin erfolgt im Betrieb des Kraftfahrzeugs auch ein Nachladen
der Batterie unter Verwendung von mittels des Generators erzeugter
Energie. Im Stillstand des Fahrzeugs bzw. bei abgeschaltetem Motor
erfolgt die Versorgung der Verbraucher aus der Batterie.
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Für
den Fahrzeugführer
ist es in vielen Fällen wichtig,
Informationen über
den Alterungszustand der Batterie zu haben, um beispielsweise im
Winter, wenn aufgrund niedriger Umgebungstemperaturen hohe Anforderungen
an die Leistungsfähigkeit
der Batterie gestellt werden, rechtzeitig vor einem eventuellen
Ausfall der Batterie für
einen Austausch sorgen zu können.
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Diese Notwendigkeit, Informationen über den
Alterungszustand der Batterie zu haben, besteht auch bei vielen
anderen Anwendungen, insbesondere bei sicherheitskritischen Anwendungen,
bei denen ein Ausfall der Batterie große Schäden hervorrufen würde.
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Um derartige Informationen über den
Alterungszustand der Batterie 1 zu ermitteln, weist die
in der Figur gezeigte Vorrichtung eine Spule 5 auf, die unter
Verwendung eines Schalters 6 parallel zur Batterie 1 schaltbar
ist.
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Das Schließen des Schalters 6 erfolgt
für die Dauer
eines Messzeitintervalles, welches beispielsweise im Nachlauf liegt.
In diesem Messzeitintervall sind alle großen Verbraucher abgeschaltet,
so dass sich die Batterie in einem Zustand niedriger Belastung befindet.
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In diesem Messzeitintervall erfolgt
eine Messung der Periodendauer T der Eigenfrequenz des gebildeten
Schwingkreises. Zu diesem Zweck ist der masseferne Anschluss der
Spule
5 mit der Auswerteeinheit
7 verbunden, die
einen Zähler
enthält.
Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit von einem Mikrocomputer gebildet.
Da die Induktivität
L der Spule
5 bekannt ist, ist die Doppelschicht- bzw.
Durchtrittskapazität
C
DS der Batterie berechenbar. Es gilt die
folgende Beziehung:
wobei
T die der Eigenfrequenz des Schwingkreises entsprechende Periodendauer,
L
die Induktivität
der Spule
5 und
C
DS die Doppelschicht
bzw. Durchtrittskapazität
der Batterie ist.
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Löst
man die vorstehend angegebene Beziehung nach C
DS auf,
dann ergibt sich für
die Doppelschicht- bzw. Durchtrittskapazität:
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Folglich kann durch eine Messung
der Periodendauer T und eine Anwendung der vorstehenden Formel die
Doppelschichtbzw. Durchtrittskapazität, die mit zunehmender Alterung
der Batterie kleiner wird, in einfacher und genauer Weise ermittelt
werden.
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Im Unterschied zur
DE 199 35 592 A1 sind keine
hochgenauen Strom- und Spannungsmessungen notwendig. Es ist auch
nicht notwendig, die Batterieklemmen mit Wechselspannun gen bzw.
Wechselströmen
verschiedener Frequenzen zu beaufschlagen, mittels einer FFT die
Amplituden und Phasenlagen dieser Größen zu ermitteln und daraus
die Impedanz zu ermitteln, aus welcher die aktuell wirksame Batteriekapazität abgeleitet
werden kann.
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Bei der Erfindung entfällt folglich
der Aufwand zur Realisierung der Wechselspannungsanregung und der
zur Durchführung
des bekannten Verfahrens erforderliche Rechenaufwand. Weiterhin
entfällt
die Notwendigkeit, ein Ersatzschaltbild zu hinterlegen, welches
mit Hilfe der Messdaten parametrisiert wird.
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Aus dem ermittelten Wert für die Doppelschichtkapazität können aufgrund
des linearen Zusammenhanges Informationen über die Speicherkapazität der Batterie
gewonnen werden.
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Dazu bedarf es lediglich einer einfachen
Periodendauermessung und einer einfachen Anwendung der oben angegebenen
mathematischen Beziehung.
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Die Initialisierung der Bestimmung
des Alterungszustandes erfolgt dann, wenn eine neue Batterie eingebaut
wird. Die nach dem Einbau der neuen Batterie ermittelte Doppelschichtkapazität wird der Speicherkapazität der Batterie
zugeordnet. Die im Laufe der Betriebsdauer der Batterie auftretenden Veränderungen
der Doppelschichtkapazität
erlauben dann Aussagen über
den Alterungszustand bzw. die Degradierung der Batterie.
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Die Messung der Spulenspannung kann
optional durch die Messung der Batteriespannung oder des Batteriestromes
ersetzt werden, falls dies die jeweils vorliegenden Genauigkeitsanforderungen
zulassen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Erfindung
in einem Steuergerät
realisiert wird, wie es im Zusammenhang mit einem elektronischen
Batteriemanagement-System (EBM) oder einem elektronischen Power-Management-System
(EPM) verwendet wird.
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Denn bei derartigen Systemen ist
ohnehin eine Erfassung der Batteriespannung und des Batteriestromes
vorgesehen. Dies ist in der Figur durch die Sensorik 8 angedeutet,
welche einen Temperatursensor, einen Spannungssensor und einen Stromsensor
enthält.
Die von diesen Sensoren gewonnenen Informationen werden der Auswerteeinheit 7 zugeführt und
dort in gewünschter
Weise weiterverarbeitet.
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- 1
- Batterie
- 2
- Steuergerät
- 3
- Generator
- 4
- Verbraucher
- 5
- Spule
- 6
- Schalter
- 7
- Auswerteeinheit
- 8
- Sensorik