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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Vorhersage
der Hochstrombelastbarkeit einer Batterie, insbesondere einer Starterbatterie
für ein
Kraftfahrzeug, und eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
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Die
Vorhersage des Verhaltens eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere
einer Batterie, in unterschiedlichen Betriebsarten ist von großer Bedeutung
für das
Energiemanagement eines Fahrzeugs, insbesondere auch für sicherheitsrelevante Funktionen.
Der kritischste Betriebsmodus ist die Belastung des Energiespeichers
bzw. der Batterie mit einem hohen Entladestrom. Ein Beispiel von
besonderer Bedeutung ist der Startvorgang eines Verbrennungsmotors,
bei dem die notwendige Mindestdrehzahl durch einen elektrischen
Anlasser erzeugt wird, der von einem elektrischen Energiespeicher,
in der Regel einem Blei-Säure-Akkumulator,
gespeist wird. Andere Anwendungsfälle sind insbesondere das elektrohydraulische
Bremsen, elektrische Lenken und elektrisch unterstützte Anfahren
oder Beschleunigen, wie es in Zukunft zunehmend zum Einsatz kommen
wird, insbesondere in Hybridfahrzeugen. Diesen Betriebsarten ist
gemeinsam, daß sie
zum einen mit einem hohen Entladestrom verbunden sind und zum anderen
nur relativ kurz, im allgemeinen nur einige Sekunden, andauern.
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Wenn
die Spannung während
dieses Vorgangs eine Mindestspannung unterschreitet, ist es nicht
möglich,
eine ausreichende Leistung aus dem Energiespeicher bzw. der Batterie
zu entnehmen, um den Vorgang erfolgreich zu beenden.
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Um
die Leistungsfähigkeit
einer Starterbatterie eines Kraftfahrzeugs zu bestimmen oder vorherzusagen
sind unterschiedliche Ansätze
bekannt.
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In
einigen Fällen
wird hierzu der Startverlauf selbst ausgewertet, um auf den Batteriezustand
zu schließen.
Nach der
DE 199 50
424 A1 wird aus Wertepaaren von Spannung und Strom eine
Batterieimpedanz bestimmt und deren Verlauf während eines Startvorgangs ausgewertet.
Die Veränderung
dieser Impedanz als Funktion der Ladungsmenge wird als Kriterium
für die
Güte des
Akkumulators herangezogen. Bei der
DE 199 50 424 A1 wird aus einem vergangenen
Hochstrom-Entladevorgang
auf einen zukünftigen, ähnlichen
Vorgang geschlossen. Dies bedeutet, daß periodisch ein zumindest ähnlicher
Vorgang mit hoher Strombelastung stattfinden muß. Ist dies nicht der Fall,
erfolgt keine ausreichend genaue Bestimmung der Parameter.
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Andere
Verfahren bestimmen ebenfalls den Widerstand bzw. Impedanzwerte
durch Division zusammengehöriger
Spannungs- und Stromänderungen.
Nach der
DE 25 00 058 geschieht
diese Widerstandsbestimmung während
einer Anregung durch ein Stromsignal. Aus der
US 63 31 762 ist ein ähnliches
Verfahren bekannt, wobei vorhandene Stromschwankungen im Bordnetz
eines Fahrzeugs ausgenutzt werden können. Basierend auf der vereinfachten
Annahme, ein elektrochemischer Akkumulator lasse sich durch eine
Spannungsquelle mit Innenwiderstand darstellen, wird aus dem Innenwiderstand auf
die Leistungsfähigkeit
geschlossen. Nach der
DE 25 00
058 wird hauptsächlich
der rein ohmsche Anteil zur Bewertung des Batteriezustandes und
zur Abschätzung
der Startfähigkeit
herangezogen. Die Aussage bezieht sich damit auf den Spannungseinbruch bei
Belastung, nicht jedoch auf die Dauer des Startvorgangs. Das Batterieverhalten
ist dabei deutlich komplexer und kann nicht nur von diesem Parameter dargestellt
werden. Die vorbekannten Verfahren erlauben darüber hinaus nur eine einfache Ja/Nein-Entscheidung
und keine qualitative Aussage über
die Startfähigkeit.
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Aus
der
US 6 037 777 A ist
ein Verfahren zur Bestimmung und Vorhersage der Hochstrombelastbarkeit
einer Batterie bekannt, bei dem die Parameter eines Modells der
Batterieimpedanz bestimmt werden und daraus die Hochstrombelastbarkeit
der Batterie bestimmt wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein vorteilhaftes Verfahren und eine vorteilhafte
Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Vorhersage der Hochstrombelastbarkeit
einer Batterie vorzuschlagen.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die Lösung bei
einer Vorrichtung der eingangs angegebenen Art erfolgt durch die
Merkmale des Anspruchs 15.
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Bei
dem Verfahren zur Bestimmung und/oder Vorhersage der Hochstrombelastbarkeit
einer Batterie werden die Parameter eines Modells der Batterieimpedanz
bestimmt. Daraus wird die Hochstrombelastbarkeit der Batterie bestimmt.
Dies geschieht dadurch, daß der
Realteil der Batterieimpedanz aus den mittelwertfreien Wechselanteilen
des Batteriestroms und der Batteriespannung in einem Frequenzintervall
um eine mittlere Frequenz bestimmt wird, und zwar nach folgender
Formel:
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Hierin
bezeichnen ik und uk die
zeitdiskret abgetasteten Werte des Batteriestroms i(t) und der Batteriespannung
u(t), die über
ein Intervall einer Anzahl (N) von Zeitschritten summiert werden.
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In
entsprechender Weise ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung
und/oder Vorhersage der Hochstrombelastbarkeit einer Batterie, insbesondere
durch Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
durch einen Controller, vorzugsweise einen Mikrocontroller, zum
Bestimmen der Parameter eines Modells der Batterieimpedanz und zum
Bestimmen der Hochstrombelastbarkeit der Batterie gekennzeichnet,
wobei der Realteil der Batterieimpedanz aus den mittelwertfreien
Wechselanteilen des Batteriestroms und der Batteriespannung in einem
Frequenzintervall um eine mittlere Frequenz bestimmt wird, und zwar
nach folgender Formel:
Hierin bezeichnen i
k und u
k die zeitdiskret
abgetasteten Werte des Batteriestroms i(t) und der Batteriespannung
u(t), die über
ein Intervall einer Anzahl (N) von Zeitschritten summiert werden.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Durch
die Erfindung wird eine zuverlässige Vorhersage
des Klemmenverhaltens des Energiespeichers bzw. der Batterie während einer
Hochstrombelastung ermöglicht.
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Vorteilhaft
ist es, die Parameter des Modells der Batterieimpedanz aus den gleichzeitigen
Messungen der beiden Meßgrößen Batteriespannung und
Batteriestrom zu bestimmen.
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Vorteilhaft
ist, wenn die Messungen in einem begrenzten Frequenzband durchgeführt und/oder ausgewertet
werden. Es ist allerdings auch möglich, die
Messungen in mehreren Frequenzbändern durchzuführen bzw.
auszuwerten. Vorteilhaft ist es, wenn analoge und/oder digitale
Filter das Frequenzband der Meßwerte
begrenzen, so daß nur
ein gewünschtes
Frequenzband ausgewertet wird. Die Anpassung der Filtergrenzen kann
automatisiert werden, insbesondere unter Auswertung des Leistungsintegrals
im gewählten
Frequenzband.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter
des Modells der Batterieimpedanz durch ein Auswerteverfahren bestimmt
werden. Vorzugsweise handelt es sich um ein integrierendes Auswerteverfahren.
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Die
Bestimmung der Parameter des Modells der Batterieimpedanz gelingt
durch die Auswertung der Wechselanteile der Meßgrößen.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden die Parameter
des Modells der Batterieimpedanz aus einem funktionellen Zusammenhang
von Meßgrößen bestimmt,
die bei einer oder mehreren Frequenzen bestimmt werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine oder
mehrere Meßgrößen an einem
Betriebspunkt gemessen werden und daß die Bestimmung und/oder Vorhersage der
Hochstrombelastbarkeit für
einen anderen Betriebspunkt erfolgt.
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Die
Parameter des Modells der Batterieimpedanz können kontinuierlich bestimmt
werden. Die vorzugsweise online ermittelten Meßgrößen können zur kontinuierlichen Parametrierung
des Modells der Batterieimpedanz genutzt werden.
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Das
Modell der Batterieimpedanz kann ein modular aufgebautes Ersatzschaltbild
sein. Vorzugsweise umfaßt
das Ersatzschaltbild konzentrierte Elemente oder besteht das Ersatzschaltbild
aus konzentrierten Elementen. In bestimmten Anwendungsfällen kann
es vorteilhaft sein, wenn das Ersatzschaltbild aus einer geringen
oder minimalen oder geringstmöglichen
Anzahl von konzentrierten Elementen besteht. Das Ersatzschaltbild
kann für
die einzelnen Zeitbereiche der Vorhersage vollständig oder partiell angewendet
oder verwendet werden.
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Das
Modell der Batterieimpedanz und/oder dessen Parametrierung können Bestandteil
eines Vorhersagealgorithmus, insbesondere eines adaptiven Vorhersagealgorithmus,
sein.
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Als
Meßgrößen können im
Bordnetz vorhandene Signale verwendet werden. In diesem Fall arbeitet
das Verfahren passiv. Stattdessen oder zusätzlich ist es allerdings auch
möglich,
daß Meßgrößen durch
Aufprägen
von einem oder mehreren Signalen, vorzugsweise Stromsignalen und/oder
Spannungssignalen, erzeugt werden. Das Verfahren arbeitet in diesem
Fall also aktiv. Anstelle einer oder beider der genannten Möglichkeiten
oder zusätzlich
zu einer oder beider dieser Möglichkeiten
können
die Meßgrößen durch
das Schalten von Lasten erzeugt werden, vorzugsweise durch das Schalten
von im Fahrzeug vorhandenen Lasten.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
umfaßt vorzugsweise
einen Bandpassfilter für
die Wechselanteile der Batteriespannung und/oder einen Bandpassfilter
für die Wechselanteile
des Batteriestroms oder für
eine die Wechselanteile des Batteriestroms repräsentierende Spannung.
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Der
Controller bzw. Mikrocontroller kann der bereits im Fahrzeug vorhandene
Controller bzw. Mikrocontroller sein.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung im einzelnen
erläutert.
In der Zeichnung zeigt
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1 ein
modular aufgebautes Ersatzschaltbild der Batterieimpedanz mit konzentrierten Elementen
und
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2 ein
Schaltbild für
eine Kraftfahrzeug-Batterie.
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1 zeigt
ein Ersatzschaltbild eines Energiespeichers 1, insbesondere
einer Batterie für
ein Kraftfahrzeug, mit konzentrierten Elementen, nämlich einem
Innenwiderstand Ri, der mit einem RC-Glied
und einer Impedanz ZS in Reihe geschaltet ist,
wobei das RC-Glied aus einer Parallelschaltung eines Widerstands
RCT und eines Kondensators CDL besteht.
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Das
Schaltbild gemäß 2 zeigt
eine Batterie 1 für
ein Kraftfahrzeug, die eine Last, nämlich ein Bordnetz 2,
speist. Mit dem Bordnetz 2 ist ein Generator 3 parallel
geschaltet. Im Stromkreis der Batterie ist ein Stromsensor 4 mit
einem Meßausgang
in Reihe geschaltet. Der Meßausgang
des Stromsensors 4 liefert ein Spannungssignal an den Bandpass-Filter 5.
Parallel zur Batterie 1 ist eine Spannungsmessung 6 geschaltet,
die ein Spannungssignal an den Bandpass-Filter 7 abgibt.
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Die
Ausgangssignale der Bandpass-Filter 5, 7 werden
jeweils einem einstellbaren Verstärker 8, 9 zugeführt, von
denen Sie verstärkt
und jeweils einem Sample-und-Hold-Glied 10, 11 zugeführt werden. Der
Ausgang der Sample-und-Hold-Glieder 10, 11 ist mit
einem Mikrocontroller 12 verbunden. In den Mikrocontroller 12 sind
A/D-Wandler integriert. Ferner gibt der Mikrocontroller 12 jeweils
ein Rückkopp lungssignal 13, 14 an
die einstellbaren Verstärker 8, 9 ab.
Der Mikrocontroller 12 is ferner zu den Sample-und-Holder-Gliedern 10, 11 rückgekoppelt.
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Zur
Bestimmung der Parameter des Modells der Batterieimpedanz werden
die Meßgrößen Batteriestrom
und Batteriespannung gemessen. Für
die Impedanzbestimmung wird nur der Wechselanteil diese Größen in unterschiedlichen
Frequenzbereichen ausgewertet. Um eine gute Auflösung zu erzielen, werden Batteriestrom
und Batteriespannung jeweils in Gleichanteil und Wechselanteil getrennt. Dies
geschieht durch je einen Hochpass. Um eine Unterabtastung zu vermeiden,
wird das Eingangssignal zudem durch je einen Anti-Aliasing-Filter
mit einer Grenzfrequenz von 2 kHz begrenzt. Da die Signalamplitude über einen
weiten Bereich variieren kann, werden die Signale zudem durch je
zwei einstellbare Verstärkerstufen
(PGA, Programmable Gain Amplifier) verstärkt. Die Verstärkung wird
von dem Mikrocontroller 12 so eingestellt, daß die Signale
den Eingangsspannungsbereich der Analog-Digital-Wandler, in denen
die Signale für
die weitere Verwertung in dem Mikrocontroller gewandelt werden, optimal
ausnutzen. Da die Stromwerte und Spannungswerte nach Möglichkeit
zeitgleich erfaßt
werden sollen, sind zum einen die Signalpfade vom Batteriespannungs-
und Batteriestrom identisch aufgebaut, damit sich Phasenverschiebungen
und Signallaufzeiten gegenseitig kompensieren, zum anderen werden
beide Signale zeitgleich in jeweils einem Halteglied 10, 11 gespeichert.
Diese werden von dem Mikrocontroller 12 gesteuert, der
die Werte dann sequentiell aus den Haltegliedern 10, 11 liest
und in die ebenfalls in dem Controller befindlichen Analog-Digital-Wandler
einliest. Weitere Signalpfade zur Aufbereitung der Gleichanteile
von Spannung und Strom stellen diese Werte ebenfalls dem Mikrocontroller
zur weiteren Auswertung zur Verfügung.
Darüber
hinaus wird über
einen weiteren Sensor die Batterietemperatur bestimmt und an den
Mikrocontroller übermittelt.
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In
dem Mikrocontroller werden aus den Meßwerten bzw. Meßdaten die
Parameter des Modells der Batterieimpedanz (Impedanzparameter) berechnet.
Aus diesen werden die Parameter des Modells des Energiespeichers
bestimmt. Mit Hilfe des Modells bzw. der Parameter des Modells wird
ein Wert für
die Startfähigkeit
bzw.
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Hochstrombelastbarkeit
der Batterie ermittelt bzw. bestimmt. Durch Auswertung weiterer
Größen, insbesondere
der Gleichanteile von Batteriespannung und Batteriestrom sowie der
Batterietemperatur, können
zusätzliche
Zustandsgrößen wie
insbesondere der Ladezustand der Batterie bestimmt werden. Die Zustandsgrößen, direkten
Messgrößen sowie
die bei den Berechnungen ermittelten Hilfsgrößen können an externe oder im Fahrzeug
integrierte Auswerte- und/oder Anzeigegeräte übermittelt werden, insbesondere über eine
serielle Schnittstelle und über
ein CAN-Bus-Modul.
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Durch
die Erfindung wird es ermöglicht,
das Klemmenverhalten eines elektrochemischen Energiespeichers während einer
Entladung mit hohem Strom vorherzusagen. Hierzu wird ein Modell
des Energiespeichers, das vorzugsweise konzentrierte Elemente umfasst,
durch Bestimmung von impedanzbasierten Parametern parametriert.
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Das
Modell des Energiespeichers kann als elektrisches Ersatzschaltbild
(ESB; siehe beispielsweise 1) dargestellt
werden. Die einzelnen Elemente des elektrischen Ersatzschaltbildes
stellen einen eindeutigen Zusammenhang zwischen dem durch das Element
fließenden
Strom und der über dem
Elemente anliegenden Spannung dar. Die Elemente werden durch einen
oder mehrerer Parameter charakterisiert. Das Modell ist derart gestaltet,
daß mit
möglichst
wenig Parametern das Klemmenverhalten des Energiespeichers für den jeweiligen
Anwendungsfall ausreichend genau vorhergesagt werden kann.
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Die
Parameter des Modells werden während des
Betriebs bestimmt, so daß das
Modell den aktuellen Zustand des Energiespeichers beschreibt und eine
Vorhersage des Klemmenverhaltens bei diesem Zustand erlaubt. Um
Vorhersagen für
einen anderen als den momentanen Betriebszustand zu ermöglichen,
werden Zuordnungen der Parameter zu anderen Zustandsgrößen wie
Temperatur oder Ladezustand verwendet. Diese Zuordnungen können in Form
von Tabellen, von mathematischen Funktionen oder von Kombinationen
unterschiedlicher Verfahren dargestellt sein (Alternativen: Expertensysteme,
Regelwerke, Kombination mit Fuzzy-Logik, neuro nale Netzwerke und Ähnliches).
Die Zuordnungen können einer
Größe direkt
eine andere Größe gegenüberstellen
oder differentiell arbeiten, d.h. der Veränderung einer Größe die Veränderung
einer anderen Größe gegenüberstellen.
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Zusätzlich zu
den im Betrieb bestimmten Parametern können vor Inbetriebnahme Vorgabewerte für die Parameter
bestimmt und in Tabellen abgelegt werden oder Parameter in Betriebspausen
bestimmt werden.
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Die
Parameter des Ersatzschaltbildes leiten sich aus Impedanzwerten
ab, die, basierend auf Leistungsbetrachtungen, bestimmt werden und
die Größen, Spannung
und Strom auswerten. Eine Bestimmung des ohmschen Innenwiderstands
nach diesem Prinzip ist in der prioritätsälteren, nicht vorveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung 102 05 120.8-34, auf die hiermit Bezug
genommen wird, beschrieben. Durch Erweiterung des Verfahrens lassen sich
die Realteile der komplexen Impedanz des Energiespeichers bei unterschiedlichen
Frequenzen oder in unterschiedlichen Frequenzintervallen bestimmen. Hierzu
muß das
Signalspektrum eingegrenzt werden. Dies kann durch analoge oder
digitale Filter oder eine geeignete Kombination von beiden geschehen.
Aus den so bestimmten Impedanzwerten ergeben sich die Parameter
des Modells durch mathematische Zuordnungen oder Tabellen mit einem
oder mehreren Impedanzwerten sowie konstanten oder veränderlichen
Hilfsgrößen.
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Durch
die Erfindung wird es ermöglicht,
ein Verfahren zur Vorhersage der Hochstrombelastbarkeit von Batterien,
insbesondere von Blei-Säure-Batterien,
auf der Basis eines Modells der Batterieimpedanz durchzuführen. Es
ist möglich,
das Modell der Batterieimpedanz durch Impedanzmessungen unter Verwendung
eines über
die Wirkwiderstandsermittlung arbeitenden, integrierenden Auswerteverfahrens
zu parametrieren. Dabei ist es möglich,
Meßgrößen bzw.
Signale verschiedener Frequenzbereiche auszuwerten. Es ist ferner
möglich,
daß die
funktionalen Zusammenhänge
zwischen Impedanzwerten und Modellparametern oder die Kenngrößen dieser Zusammenhänge durch
das Auswerten der Spannungs- und Stromverläufe während eines Startvorgangs adaptiert
werden. Bei dem Verfahren kann eine automatische Verstärkungswahl
vor den Meßeingängen durchgeführt werden,
um eine optimale Anpassung des Signal-Rausch-Abstandes zu erreichen.
Die Meßwerterfassung
kann mit einer hohen Meßrate
geschehen, insbesondere derart, daß der zeitliche Abstand zweier
Messungen mindestens um den Faktor 2 kleiner ist als die kleinste
Zeitkonstante des zugrundeliegenden Modells des Energiespeichers.
Die Meßrate
kann 10 kHz betragen. Die Verarbeitung der Meßdaten geschieht vorzugsweise
in einem Mikrorechner. Die Meßwerte
oder vorverarbeiteten Zwischenwerte können in einem flüchtigen
oder nicht flüchtigen
Speicher vor der Weiterverarbeitung abgelegt werden. Die Zustandsvariablen
des zu parametrierenden Modells können in einem nicht flüchtigen
Speicher abgelegt werden.
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Es
ist möglich,
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
eine Leistungsbetrachtung durchzuführen, die integrierend und
damit stabiler als differenzierende Verfahren ist. Das Modell kann
eine komplexere Impedanz und damit den zeitlichen Verlauf des Startvorgangs
berücksichtigen.
Das Verfahren kann in der Weise durchgeführt werden, daß eine Minimalspannung
aufgrund der Impedanz und eines prognostizierten Stromprofils vorhergesagt
werden kann. Die Parameter des Modells können aus beliebigen Lade- oder
Entladevorgängen
ermittelt werden.