DE4337020C1 - Verfahren zur Überwachung der Batterie eines Hybridfahrzeugs - Google Patents

Verfahren zur Überwachung der Batterie eines Hybridfahrzeugs

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Batte­ rie eines Hybridfahrzeugs, bei dem der Ladezustand der Batterie ermittelt und dem Fahrer angezeigt wird gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs 1.
Es sind eine Vielzahl von Verfahren bekannt, welche darauf beru­ hen, den Ladezustand der Batterie durch Integration des Batte­ riestroms und anschließender Bilanzierung der entnommenen und zugeführten Ladungsmengen zu ermitteln. Die Bilanzierung ist die gebräuchliche Methode bei allen Batterietypen, deren Innenwider­ stand und deren Leerlaufspannung im mittleren Ladungsbereich keine eindeutige Funktion des momentanen Ladezustandes ist. Beim Bilanzieren geht als Unsicherheitsfaktor der Entladewirkungsgrad und der Ladewirkungsgrad ein, die in unterschiedlicher Weise von den durchgesetzten Strömen, der Batterietemperatur, der Alterung und weiteren schwer bestimmbaren Einflußfaktoren wie Memory-Ef­ fekten abhängen.
Die bekannten Verfahren zur Ladungsbilanzierung versuchen die verschiedenen Einflußgrößen angemessen zu berücksichtigen und weitere Fehlerquellen, wie sie beispielsweise durch die Lang­ zeitintegration auftreten, zu eleminieren. Ein vergleichsweise vorangeschrittenes Verfahren und weitere Literaturhinweise fin­ det man in SCHLEUTER, W. u. a.: "Ein Gerät zur Ermittlung des La­ dezustandes von Bleiakkumulatoren". In: E und M, Jg. 102, 1982, H.2, S. 82-87.
Aufgrund der schwer zu erfassenden Einflußfaktoren wird die Bi­ lanzierung mit zunehmender Zeit und zunehmendem Energieumsatz so ungenau, daß aus ihr keine zuverlässige Aussage über den Ladezu­ stand der Batterie ableitbar ist. Es ist daher notwendig, immer wieder eine Volladung der Batterie vorzunehmen, damit die Bilan­ zierung von einem zuverlässigen Eckwert aus neu gestartet werden kann. Da die Volladung während des Ladevorgangs aufgrund des Temperatur-, Druck, und Spannungsanstiegs gut sensierbar ist, kann dieser Neustart der Bilanzierung (Reset) automatisch und abhängig von physikalischen Batterieparametern ausgelöst werden.
Während es bei reinen Elektrofahrzeugen systembedingt erforder­ lich ist, beinahe täglich zu einer Ladestation zurückzukehren, wo bei ausreichender Ladezeit z. B. über Nacht regelmäßig eine Volladung und damit ein Neustart der Bilanzierung durchgeführt werden kann, würde dies bei Hybridfahrzeugen zu einer unnötigen Komfort- und Nutzungsbeeinträchtigung führen. Denn Hybridfahr­ zeuge, die mit Verbrennungsmotor und/oder Elektromotor getrieben werden, brauchen je nach Betriebsbedingungen weniger häufig oder in Sonderfällen überhaupt nicht zu einer Ladestation zurückzu­ kehren.
Bei Hybridfahrzeugen kommt es daher vor, daß der letzte Neustart der Ladungsbilanzierung so weit zurückliegt, daß die Ladezu­ standsanzeige stark von dem tatsächlichen Ladungsvorrat der Bat­ terie abweicht. Der Betreiber des Fahrzeugs sollte in diesem Fall eine Volladung der Batterie veranlassen, wodurch die Bilan­ zierung neu gestartet würde.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein auf einer Ladebilanzierung ba­ sierendes Verfahren zur Batterieüberwachung in der Weise weiter­ zubilden, daß die besonderen Verhältnisse bei Hybridfahrzeugen besser berücksichtigt werden und einer unbemerkten Unzuverläs­ sigkeit der Ladezustandsanzeige vorgebeugt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der Betreiber des Fahrzeugs rechtzeitig gewarnt, wenn die Ladezustandsanzeige nicht mehr verläßlich ist und ein Neustart der Bilanzierung von einem definierten Eckwert aus veranlaßt werden sollte. Weiterhin wird durch das erfindungsgemäße Verfahren sichergestellt, daß diese Aufforderung möglichst selten und nur wenn dringend erfor­ derlich erfolgt.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprü­ chen und der Beschreibung hervor. Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher beschrieben, wobei in der einzigen Fi­ gur in einem Blockschaltbild das erfindungsgemäße Verfahren dar­ gestellt ist.
Die Figur zeigt einen an sich bekannten Ladebilanzrechner 5, der aus verschiedenen Eingangsmeßwerten wie Batteriestrom I, Batte­ riespannung U und Batterietemperatur T den Ladezustand Q der Batterie 1 errechnet und eine Ladezustandsanzeige 6 ansteuert, welche ein in Amperestunden Ah geeichtes Analoginstrument sein kann. Der Batteriestrom I wird von einem in die Versorgungslei­ tung des Bordnetzes eingefügten Strommesser 4 ermittelt, wobei ein Entladestrom ein positives und ein Ladestrom ein negatives Vorzeichen aufweist. Die Batteriespannung U wird von einem Span­ nungsmesser 2 und die Batterietemperatur T von einem in die Bat­ terie eingebauten Temperaturfühler 3 aufgenommen.
Das an sich bekannte Verfahren zur Ladebilanzierung besteht darin, daß eine Recheneinheit 5.1 den Meßwert für den Batterie­ strom integriert, wobei Entladeströme und Ladeströme aufgrund des unterschiedlichen Vorzeichens sich gegenseitig aufheben kön­ nen und dadurch bilanziert werden. Das resultierende Integral stellt den Netto-Entladestrom dar und wird von einem Ladungseck­ wert QE subtrahiert, um die verbleibende, noch entnehmbare Rest­ ladung Q zu erhalten. Der Ladungseckwert QE ist beispielsweise durch die Nennkapazität der Batterie bei Volladung gegeben, die einige hundert Amperestunden betragen kann.
Im einfachsten Fall ist QE ein Konstante, jedoch sind Korrektur­ algorithmen bekannt, welche die Abhängigkeit der maximal ent­ nehmbaren Ladung von der Elektrolyt-Temperatur und der mittleren Entladungsstromstärke berücksichtigen. Weiterhin ist eine Eckla­ dezustands-Erkennung 5.2 vorgesehen, welche durch Auswertung von Eingangsmeßwerten wie der Batteriespannung U und der Batterie­ temperatur T erkennt, wenn beispielsweise während einer Lade­ phase zum Zeitpunkt t = tE ein Eckladezustand erreicht wird. Dann gibt die Eckladezustands-Erkennung 5.2 ein Steuersignal an die Recheneinheit 5.1, worauf das Stromintegral auf null gesetzt und die Integration, also die Bilanzierung neu gestartet wird (Reset).
Ein weiterer gut sensierbarer Eck-Ladezustand ist die Tiefentla­ dung, welche als Bezugspunkt für eine Bilanzierung daher eben­ falls geeignet ist. Der Ladungseckwert QE entspricht dann der noch entnehmbaren Ladungsmenge bei einem charakteristischen Tiefentladepunkt.
Für eine durchgehend zuverlässige Anzeige des Ladezustandes ist notwendig, daß möglichst oft ein Neustart der Bilanzierung eingeleitet wird. Dies wird erreicht, wenn sowohl die Volladung als auch die Tiefentladung als Eck-Ladezustand herangezogen wer­ den, um einen Neustart zu initieren. Für diese Weiterbildung ist eine Ladungseckwert-Vorgabe 5.3 vorgesehen, welche im einfach­ sten Fall aus einem Speicher besteht, in den Ladungseckwerte QE eingetragen sind, welche der Recheneinheit 5.1 vorgegeben wer­ den. Die Vorgabe folgt dabei einem Steuersignal der Eckladezu­ stands-Erkennung 5.2 und entspricht dem zuletzt ermittelten Eck­ ladezustand, beispielweise dem Volladungs-Eckwert oder dem Tiefentladungs-Eckwert.
Da bei Hybridfahrzeugen aufgrund der beiden unabhängigen An­ triebseinheiten eine vorübergehende Tiefentladung der Batterie in Kauf genommen werden kann, erhöht die obige Maßnahme in vor­ teilhafter Weise die Rate, mit der ein Neustart der Bilanzierung erfolgt.
Als weitere erfindungsgemäße Maßnahme zur Unterstützung des Be­ treibers des Hybridfahrzeugs ist eine Stufe zur Fehlerberechnung 8 vorgesehen, die über eine Schnittstelle 7 Daten mit dem La­ dungsbilanzrechner 5 austauscht. Die Daten, die der Fehlerbe­ rechnung 8 dabei zumindest zufließen müssen, sind der gemessene Batteriestrom I und das Steuersignal zum Neustart der Bilanzie­ rung zur Zeit tE. Aus diesen Daten errechnet die Fehlerberech­ nung 8 eine Fehlergröße F, welche auf den augenblicklichen Fehlerbereich für den angezeigten Ladezustand rückschließen läßt. Allgemein kann die Fehlergröße als Integral über eine nichtlineare Funkti­ on des Batteriestromes I und anderer Batteriegrößen wie z. B. der Batterietemperatur dargestellt werden, wobei ab dem Zeitpunkt t = tE eines Neustarts der Bilanzierung integriert wird. Ein ein­ facher Algorithmus für die Fehlergröße F zum Zeitpunkt t ist durch die Formel
gegeben. In dem ersten Term werden die ab dem Neustart (t = tE) einer Bilanzierung gemessenen Stromwerte I betragsmäßig aufad­ diert. Der zweite Term FS enthält den Einfluß weiterer Störgrö­ ßen und wird zunächst FS = 0 gesetzt. Für einen Vorfaktor c = 1 ent­ spricht dann die Fehlergröße dem seit der Zeit tE geleisteten Energiedurchsatz. Der Vorfaktor kann in einer Weiterbildung des Verfahrens auch von der Batterietemperatur, der Batterieladung, dem Batteriestrom und dem Vorzeichen des Batteriestromes abhän­ gig gewählt werden. So kann es sinnvoll sein, daß ein Entlade­ strom mit einem anderen Vorfaktor in die Fehlerrechnung eingeht als ein Ladestrom, wenn durch den Algorithmus zur Ladebilanzie­ rung die Vorgänge in beiden Laderichtungen unterschiedlich gut modelliert werden.
Die ermittelte Fehlergröße F wird einer Stufe zur Fehlerbewer­ tung 9 zugeführt, wo mit einem kritischen Fehler Fc verglichen wird. Wenn die Fehlergröße F diesen kritischen Fehler Fc über­ schreitet, wird ein Warnsignal an eine Anzeige 10 gegeben, wel­ che dem Betreiber des Hybridfahrzeugs optisch durch das Auf­ leuchten einer Anzeigenlampe anzeigt, daß der durch die Ladezu­ standsanzeige 6 angezeigte Wert unzuverlässig ist und in näch­ ster Zeit eine Tiefentladung oder eine Volladung vorgenommen werden muß, um einen Neustart der Ladungsbilanzierung herbeizu­ führen.
Der kritische Fehler Fc muß experimentell bestimmt werden. Für das bereits angeführte Beispiel mit C = 1 kann ein mehrfaches (Faktor 2 bis 10) der Nennkapazität versuchsweise angesetzt wer­ den.
Die Berechnung der Fehlergröße F kann noch dahingehend verbes­ sert werden, daß in dem Zusatzterm FS der Einfluß der Selbst­ entladung auf den Fehler der Ladungsanzeige berücksichtigt wird. Dieser Fehler kann der durch die Selbstentladung verlorenen La­ dungsmenge proportional angesetzt werden und errechnet sich so­ mit aus dem zeitlichen Integral des Selbstentladungsstroms IS über alle Standzeiten tS seit tE:
Da die Standzeit, d. h. die Zeit, in der kein Batteriestrom fließt, immer wieder durch Fahreinsätze unterbrochen ist, setzt sich das Integral aus einer Summe von Einzelbeiträgen zusammen. Der Selbstentladungsstrom IS wie auch der Vorfaktor CS kann von weiteren Batterieparametern wie z. B. der Temperatur abhängig ge­ wählt werden. Der Vorfaktor CS bestimmt das relative Gewicht des Fehlerterms FS zum Gesamtfehler F.
Die Fehlergröße F modelliert den Fehler der Ladezustandsberech­ nung und ermöglicht damit eine aktuelle Abschätzung des Fehlers der Anzeige.
Daneben kann am Ende jedes Bilanzierungsintervalls, auch der tatsächliche Fehler der Ladezustandsanzeige bestimmt werden. Wenn nämlich ein Eckladezustand erreicht wird, stimmt der tat­ sächliche Ladezustand mit dem dann zu setzenden Ladungseckwert QE(neu) überein. In der Regel weicht jedoch der bis dahin bilan­ zierte Ladezustand Q(t → tE, alt) davon ab. In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher an jedem Bilanzie­ rungsende der Differenzwert
D = Q(t → tE, alt)-QE(neu)
gebildet und abgespeichert, bevor die Bilanzierung zurückgesetzt und neu gestartet wird. Wenn der Differenzwert positiv ist und eine bestimmte Toleranzgrenze überschreitet, so daß insgesamt ungewöhnlich viel Ladung der Batterie zugeführt wurde, kann auf einen Batteriedefekt geschlossen werden.
Die Berechnung des Differenzwertes D kann ebenfalls in der Stufe zur Fehlerberechnung 8 durchgeführt werden, wobei über die Schnittstelle 7 von dem Ladebilanzrechner 5 die entsprechenden Werte für Q und QE zugeführt werden. In der Stufe zur Fehlerbe­ wertung 9 wird der Differenzwert D in der Weise bewertet, daß wenn D einen kritischen Wert Dc übersteigt, der Betreiber des Fahrzeugs durch die Anzeige 10 z. B. durch das Blinken der Anzei­ genlampe auf einen Batteriedefekt hingewiesen wird.
Ist der Differenzwert negativ, so daß weniger Nachladung als nach der Ladezustandsanzeige erforderlich war, um den Eck-Lade­ zustand zu erreichen, kann auf eine Ungenauigkeit im Rechenver­ fahren geschlossen werden. In diesem Fall könnte der Differenz­ wert dazu verwendet werden, um eine Selbsteichung des Rechenverfah­ rens über eine Anpassung entsprechender Konstanten vorzunehmen. Dabei kann sowohl das Verfahren zur Ladungsbilanzierung als auch das erfindungsgemäße Fehlerberechungsverfahren, z. B. über eine Anpassung der Konstante C und CS, optimiert werden.
Welche Schlüsse aus positiven oder negativen Bilanzabweichungen im einzelnen geschlossen werden können, hängt stark vom verwen­ deten Batteriesystem und seinem Einsatzspektrum ab.

Claims (15)

1. Verfahren zur Überwachung der Batterie eines Hybridfahrzeugs, bei dem der Ladezustand der Batterie ermittelt und dem Betreiber angezeigt wird,
  • - wobei aus einem gemessenen Batteriestrom durch zeitliche Inte­ gration die entnommenen und zugeführten Ladungsmengen bestimmt werden, und die resultierende Ladungsbilanz auf einen La­ dungseckwert QE bezogen den Ladezustand Q ergibt,
  • - wobei durch Auswertung weiterer physikalischer Batteriegrößen wie Spannung und Temperatur ein charakteristischer Eckladezu­ stand, insbesondere Volladung erkannt wird
  • - wobei bei jeder Erkennung eines Eckladezustandes ein Neustart (Reset) durchgeführt wird, indem dem Ladungseckwert QE ein abge­ speicherter Wert zugewiesen und die Ladungsbilanz auf null zu­ rückgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß parallel mindestens eine Fehlergröße berechnet wird, welche einen Bereich für die Abweichung des angezeigten Ladezustands von dem tatsächlichen Ladezustand angibt und das überschreiten eines Maximalwertes durch diese Größe dem Betreiber des Fahrzeugs angezeigt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fehlergröße F in der Weise bestimmt wird, daß mit jeder La­ dungsentnahme und Ladungszuführung zu der Fehlergröße F ein Be­ trag addiert wird, der sich jeweils aus der mit einem Vorfaktor multiplizierten durchgesetzten Ladungsmenge errechnet, wobei mit jeder Rücksetzung der Ladungsbilanz auch die Fehlergröße F auf null zurückgesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorfaktor für eine Ladungsentnahme unterschiedlich von dem einer Ladungszuführung ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Vorfaktoren verschwindet.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorfaktor von der Batterietemperatur abhängig ist.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenn keine Ladungsbewegung stattfindet zur Fehlergröße F ein Betrag addiert wird, der der Zeit proportional ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fehlergröße in der Weise bestimmt wird, daß bei Erreichen eines Eckladezustandes und vor Rücksetzung der Ladungsbilanz der Dif­ ferenzwert D des bis dahin ermittelten Ladungszustands Q mit dem zu setzenden Ladungseckwert QE gespeichert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenn der Differenzwert D positiv ist und einen Differenzgrenzwert Dc überschreitet, auf einen Batteriedefekt gefolgert und dieser an­ gezeigt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenn der Differenzwert D negativ ist, auf eine Ungenauigkeit im Re­ chenverfahren zur Ermittlung des Ladungszustandes gefolgert und eine Selbsteichung durch Anpassung entsprechender Konstanten eingeleitet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenn der Differenzwert negativ ist, auf eine Ungenauigkeit im Rechen­ verfahren zur Fehlerberechnung der Ladezustandsanzeige gefolgert und eine Selbsteichung durch Anpassung entsprechender Konstanten eingeleitet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als charakteristischer Eckladezustand sowohl eine Volladung als auch eine Tiefentladung erkannt und ein jeweils entsprechender La­ dungseckwert QE vorgegeben wird.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem Ladebilanzrechner, der in Abhängigkeit von gemessenen Batteriegrößen eine Ladezustandsanzeige ansteuert, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stufe zur Fehlerberechnung (5.1) über eine Schnittstelle (7) mit dem Ladebilanzrechner (5) Daten austauscht und mit Hilfe dieser Daten einen Fehler zu dem von der Ladezustandsanzeige (6) angezeigten Wert bestimmt, die­ ser Fehler in einer Stufe zur Fehlerbewertung (8) bewertet wird, welche eine Anzeige (10) ansteuert, die den Betreiber des Fahr­ zeugs vor einer zu großen Ungenauigkeit des angezeigten Ladezu­ stands warnt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei überschreiten einer ersten Fehlerschwelle, welche eine noch hinnehmbare Ungenauigkeit darstellt, eine Warnleuchte der Anzeige (10) permanent bestromt wird und daß bei überschreiten einer zweiten Fehlerschwelle, welche eine nicht mehr hinnehmbare Ungenauigkeit darstellt, die Warnleuchte intermittierend be­ stromt wird.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei überschreiten einer ersten Fehlerschwelle, welche eine noch hinnehmbare Ungenauigkeit darstellt, eine gelbe Warnleuchte der Anzeige (10) permanent aufleuchtet und daß bei Überschreiten einer zweiten Fehlerschwelle, welche eine nicht mehr hinnehmbare Ungenauigkeit darstellt, eine rote Warnleuchte der Anzeige (10) aufleuchtet.
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