DE4339568A1

DE4339568A1 - Verfahren zur Ermittlung des Ladezustandes einer Batterie, insbesondere einer Fahrzeug-Starterbatterie

Info

Publication number: DE4339568A1
Application number: DE4339568A
Authority: DE
Inventors: Gerolf Dipl Ing Dr Richter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-11-19
Filing date: 1993-11-19
Publication date: 1995-05-24
Also published as: WO1995014239A1; US5598088A; DE59410357D1; JPH08505950A; EP0680613B1; EP0680613A1

Description

Stand der Technik

Die Batterie in einem Kraftfahrzeug, die zur Versorgung der elektri schen Systeme und besonders auch zur Versorgung des Starters dient, wird mit Hilfe eines vom Motor angetriebenen Drehstromgenerators, dessen Ausgangsspannung in geeigneter Weise geregelt wird, geladen. Da die Batterie eine Vielzahl von Verbrauchern versorgen muß, kann unter ungünstigen Betriebsbedingungen, beispielsweise bei tiefen Temperaturen und ungünstigen Fahrverhältnissen die Batterie soweit entladen werden, daß eine zuverlässige Spannungsversorgung nicht mehr gewährleistet ist. Besonders der Start des Motors kann in die sem Fall problematisch werden, da der Anlasser eine beträchtliche elektrische Energie benötigt.

Es ist daher bekannt, den noch verfügbaren Energieinhalt der Batte rie zu ermitteln. Dazu sind mehrere unterschiedliche Methoden durch geführt worden, eine dieser Methoden besteht in der meßtechnischen Ermittlung der elektrochemischen Batteriezustandsgröße Säuredichte und der sich daraus ableitenden Ruhespannung. Diese Methode ist jedoch unzuverlässig, da bei einer in Betrieb befindlichen Batterie Diffusionsausgleichzeiten und Temperaturänderungen berücksichtigt werden müßten.

Eine weitere Methode, die jedoch nur im stationären Zustand brauch bar ist, besteht darin, den Innenwiderstand der Batterie zu bestim men, der als Maß für den Ladezustand dienen kann. Der Innenwider stand kann dabei durch die Beobachtung der Klemmenspannung der Batterie während der Beaufschlagung mit einem Belastungsimpuls ermittelt werden.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Ladezustand einer Batterie, beispielsweise der Starterbatterie eines Kraftfahrzeuges zu ermitteln, indem fortlaufend der Batteriestrom gemessen wird und daraus durch Integrieren über der Zeit die der Batterie entnommene Ladung ermittelt wird. Diese Vorgehensweise wird in der DE-OS 35 20 985 beschrieben. Gemäß dem dabei beschriebenen Verfahren wird zusätzlich nach Abschalten des Fahrzeugmotors die Batteriespan nung gemessen und aus dem Absinken gegenüber der Spannung bei voll geladener Batterie und der für den stromlosen Zustand errechneten entnommenen Ladung eine fiktive Batteriekapazität berechnet. Aus dieser fiktiven Batteriekapazität wird dann der Ladezustand ermit telt.

Diese Methode ist jedoch immer noch nicht zuverlässig genug, da alle Batteriesysteme die unangenehme Eigenschaft besitzen, daß die Kapa zitätsänderung und damit die noch zur Verfügung stehende Restkapazi tät bezogen auf eine definierte Entladeschlußspannung im stärkeren Maße von einer Vielzahl von Größen abhängt. Diese Größen sind bei spielsweise die Größe des entnommenen bzw. zugeführten Stromes, die Temperatur, das Batteriealter sowie der bereits eingetretene Batt erieladestatus.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß eine sehr zuverlässige Aussage über den vorliegenden Ladezustand der Batterie möglich ist.

Erzielt wird dieser Vorteil, indem eine genaue Bilanzierung des ent nommenen sowie des zugeführten Stromes durchgeführt wird und Korrek turen durchgeführt werden, die die Stärke des Stromes, die Tempera tur sowie das Batteriealter berücksichtigen. Besonders vorteilhaft ist, daß die Korrekturen mit Hilfe geeigneter Funktionen in einer Recheneinrichtung durchführbar sind. Dabei wird eine Zeitspanne er mittelt, die eine genaue Aussage bezüglich des Batterieladezustandes darstellt. Diese Zeitspanne gibt an, wie lange die Batterie noch einen vorgebbaren Strom liefern kann.

Weitere Vorteile der Erfindung werden mit Hilfe der in den Unteran sprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt.

Eine vorteilhafte Maßnahme besteht darin, die Zeitspanne, die den Ladezustand der Batterie charakterisiert, als Basis zur Regelung des Generators heranzuziehen. Es kann weiterhin in vorteilhafter Weise eine Anzeige erfolgen, wenn die ermittelte Zeit unter einen in ge eigneter Weise festlegbaren Schwellwert sinkt und beispielsweise anzuzeigen, wenn die noch vorhandene Batterieladung nicht mehr für eine bestimmte Mindestanzahl von Startversuchen ausreicht.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge stellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es ist dabei in der einzigen Figur ein Fahrzeugbordnetz mit den erfindungswesentlichen Größen schematisch dargestellt.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Das in der Figur dargestellte Fahrzeugbordnetz umfaßt einen Genera tor 10, dessen Ausgangsspannung vom Spannungsregler 11 geregelt wird, eine Batterie 12, die vom Generator geladen wird sowie die eigentlichen Bordnetzverbraucher 13, die über Schaltmittel 14 an die Versorgungsspannung gelegt werden können.

Mit 15 ist der Starter bezeichnet, der über den Zündschalter 16 mit der Batterie verbindbar ist. Mit 17 ist eine Recheneinrichtung, bei spielsweise eine integrierte Schaltung oder ein Steuergerät bezeich net, dem verschiedene Informationen zugeführt werden und in dem das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung des Ladezustandes der Batterie 12 abläuft.

Als der Recheneinrichtung 17 zugeführte Größen sind angegeben: Die Batteriespannung U_B, die Ruhespannung U_R, der Ladestrom I_L, der Entladestrom I_E sowie die Temperatur der Batterie T_B.

Die erwähnten Größen werden mit Hilfe geeigneter Schaltungen bzw. geeigneter Sensoren gemessen. Der Zeitpunkt und die Dauer der Mes sung wird von der Recheneinrichtung 17 selbst festgelegt. Die Re cheneinrichtung 17 umfaßt geeignete Mittel zur Abspeicherung von Daten sowie geeignete Mittel zur Messung von Zeiten.

In der Recheneinrichtung 17 läuft die eigentliche Batterie-Ladezu standsermittlung ab. Es wird dabei ausgehend von einer Strombilan zierung also von der Betrachtung der in die Batterie fließenden Ladeströme und der aus der Batterie fließenden Entladeströme eine Ladezustandsermittlung durchgeführt, wobei zusätzliche Modell- bzw. Korrekturfunktionen berücksichtigt werden. Die gefundenen Ergebnisse werden weiterhin mit Hilfe der nach langen Unterbrechungen ermittel ten Ruhespannung der Batterie korrigiert.

Die im folgenden beschriebene Batterie-Ladezustandsermittlung gilt insbesondere für das Modell einer wartungsfreien Blei/Säurestarter batterie in einem Kraftfahrzeug mit etwa identischen Plattenabmes sungen und einer genormten Säuredichte, so daß der Wasserverbrauch während der mittleren zu erwartenden Lebensdauer vernachlässigbar gering ist und nicht zu Ungenauigkeiten bei der Ladezustandsermittlung führt.

Der zu berücksichtigende Alterungsprozeß ist im wesentlichen vom Alter der Batterie und von der Temperatur abhängig, denn unter nor malen Bedingungen die für eine in einem Kraftfahrzeug eingebaute Batterie gelten, verschleißt die Batterie fast unabhängig von der Fahrerleistung bzw. der Häufigkeit der Startversuche. Der Einfluß der mittleren Betriebstemperatur, der nicht zu vernachlässigen ist, wird empirisch erfaßt. Damit das Verfahren zur Ladezustandsbestim mung ablaufen kann, sind verschiedene Messungen erforderlich. Es werden daher im Betriebsfall die Ladeströme I_L bzw. die Entlade ströme I_E bespielsweise mittels einer Stromzange gemessen, wobei diese Messungen innerhalb von Zeitintervallen, die beispielsweise nur Sekundenbruchteile dauern, erfolgen.

Während längerer Ruhepausen wird die Ruhespannung U_R der Batterie 12 gemessen. Für die Messung der Batteriespannung U_B sind heute geläufige Schaltungen einsetzbar. Die Messung der Batterietemperatur T_B erfolgt laufend, sie wird einerseits zur Ruhespannungskorrektur benötigt und andererseits zur Ermittlung der aktuell doch zur Verfü gung stehenden Kapazität und zur Beschreibung des Batteriealters.

Die Meßergebnisse werden über geeignete Verbindungen zur Rechenein richtung 17 geführt. Sie sind dort zwischenspeicherbar und stehen der Recheneinrichtung 17 zur Auswertung zur Verfügung.

Die Verknüpfung zwischen den gemessenen Größen und den Korrektur maßnahmen läßt sich folgendermaßen darstellen:

1. Entladen

Im Zeitintervall t_Ei wird der Entladestrom I_E gemessen. Da der mittlere Entladestrom für einen PKW etwa der dreistündige Strom I_3E ist (Strom, bei dem nach dreistündiger Entladezeit bei Raum temperatur eine Entladeschlußspannung von U = 10,5 V erreicht wird), gilt als Bezugsgröße auch die Kapazität K₃. Der Index 3 steht für dreistündig. Als batterietypische Eingabegröße muß deshalb auch I_3E0 zur Verfügung stehen, der Index 0 steht für "neue Batterie". Der Strom I_3E0 wird bei neuer Batterie gemessen. Für eine ideale Batterie gilt demzufolge im iten Meßintervall:

Δt_3i * I_3E = Δt_Ei * I_E

bzw. für die, von der noch zur Verfügung stehenden dreistündigen Restzeit t_3i, "abgebaute" Zeit gilt:

Wie bereits erwähnt, muß dieses Zeitintervall für alle realen Batterie-Systeme eine Korrektur erfahren.

Im Falle der Blei/Säure-Batterie haben sich die empirischen Glei chungen nach Peukert oder Liebenow bewährt. Die folgenden Gleichun gen zeigen den Einfluß dieser Korrekturen.

a) Nach Peukert gilt: mit: n_E ≈ 0,2 für eine Starter-Batterie.
b) Nach Liebenow gilt: für I_E < I_3E.

Die Peukert-Korrektur zeigt eine besonders gute Übereinstimmung mit Meßwerten für mittlere Entladeströme, wo hingegen die Liebenow-Glei chung eine befriedigende Näherung über den gesamten möglichen Ent ladestrombereich mit obiger Einschränkung gewährleistet.

2. Laden

Der Ladegewinn einer Starter-Batterie im Intervall Δt_Li muß mit einem vom Ladestatus abhängigen Ladewirkungsgrad η_L multipliziert werden. Da Ladestrom irreversibel nur durch Gasung verlorengehen kann, ist für moderne, wartungsfreie Batterien η_L = 1 zu setzen, insbesondere, wenn eine periodische Ruhespannungskontrolle, bei der die Spannung U_R gemessen wird, erfolgt. Damit ergibt sich für den Gewinn an dreistündiger Entladezeit im Meßintervall:

3. Bilanz von Laden und Entladen

Die aktuelle (im iten Intervall) zur Verfügung stehende Zeit t_3i bei Entladung mit Strom I_3E unter Normalbedingungen (Raumtempera tur) bis zur Entladeschlußspannung von 10,5 V beträgt

t_3i = t₃ + Σ Δt_3i (Laden +, Entladen -)

mit t₃ = 3 h und 0 t_3i t₃.

4. Berücksichtigung des Batteriealters und der durchschnittlichen Temperaturbelastung

Die für eine neue Batterie charakteristische Eingabegröße für das Rechenprogramm ist der dreistündige Entladestrom I_3E0. Laborexpe rimente sowie durchgeführte Fahrversuche haben gezeigt, daß sich dieser Wert, abhängig vom Batteriealter und der durchschnittlichen Temperaturbelastung, kontinuierlich verringert und zum Zeitpunkt (Alter) t den Betrag von I_3E aufweist. Es gilt mit guter Überein stimmung

I_3E = I_3EO [β + (1-β) e^-t/ ^τ]

mit β = 0,5 als unterste Grenze für einen erfolgreichen Kaltstart.

Die Zeitkonstante für den Alterungsprozeß ist in erster Linie tem peraturabhängig, bedingt durch die Korrosion der positiven Gitter. Dieser Vorgang ist gut mit folgendem Zusammenhang zu beschreiben

τ = τ₀ · 2^{-(T-20°C)/10°C}

und τ₀ ≈ 2 Jahre.

Unter diesen gegebenen Voraussetzungen muß die Änderung von I_3E innerhalb des Zeitintervalls Δt_i ermittelt werden.

Es ergibt sich zum Zeitpunkt t = Δt_i eine dimensionslose Zeit

und damit für

Somit erhält man als Berechnungsgleichung für das aktuelle I_3E

Der so gewonnene dreistündige Strom repräsentiert die altersabhän gige entnehmbare dreistündige Kapazität einer vollgeladenen Batterie und ist die Basisgröße in den Gleichungen von Peukert bzw. Liebenow.

5. Verfügbare Kapazität bei gegebener Elektrolyttemperatur

Wie bereits erwähnt, bezieht sich die "Normalzeit" t_3i auf den Entladungsfall einer Batterie mit einer Elektrolyttemperatur von 25°C. Mit sinkender Temperatur wird allerdings die tatsächlich verfügbare Zeit t_3iV für einen dreistündigen Strom immer geringer.

Es hat sich gezeigt, daß die Temperaturabhängigkeit in dem interessierenden Temperaturintervall von -20° bis +40°C in guter Näherung als linear angenommen werden kann. Dies gilt insbesondere für Ströme in der hier betrachteten Größenordnung

t_3iV = t_3i [1 + 0,006 (T-300)] mit T in K.

Diese Zeit würde sich in der Praxis z. B. zur Steuerung bzw. Regelung der Generatorleistung mittels eines entsprechenden Spannungsreglers in einem Pkw-Bordnetz eignen. Die Regelkriterien können dann der Erregerstrom und/oder die Spannung sein.

Hinsichtlich diverser Alarmkriterien, wie z. B. für die Information: "Achtung, noch drei Starts unter gegebenen Bedingungen möglich", muß in der Recheneinrichtung ein ständiger Vergleich zwischen einem motor- und starterspezifischen Kennfeld bezüglich erforderlichem Strom und Startzeit mit den entsprechenden Werten aus der Ladezu standsinformation durchgeführt werden.

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung des Ladezustandes einer Batterie, ins besondere einer Fahrzeug-Starterbatterie, bei dem bei Erkennen be stimmter Betriebszustände der Batteriestrom und die Ruhespannung gemessen wird und aus den Meßwerten mittels einer Recheneinrichtung auf den Ladezustand geschlossen wird, wobei die ermittelten Meßgrößen mit Korrekturfunktionen verknüpft werden, die wenigstens abhängig von der Batterietemperatur gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der während eines ersten Zeitraumes gemessene Entladestrom und der während eines zweiten Zeitraumes gemessene Ladestrom zueinander in Bezug gesetzt werden zur Ermittlung eines dritten Zeitraumes, der die noch zur Verfügung stehende Restzeit charakterisiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ermittlung des dritten Zeitraumes die gemessene Ruhespannung zur Ruhespannungskorrektur berücksichtigt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß aus dem dritten Zeitraum ein Entladestrom ermit telt wird, wobei berücksichtigt wird, daß der Entladestrom vom drit ten Zeitraum exponentiell abhängt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß Alarmmittel ausgelöst werden, wenn die ermittelte Restzeit kleiner ist als ein vorgebbarer Schwellwert.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert so festgelegt wird, daß noch eine Mindestzahl von Start versuchen durchführbar ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß aus dem ermittelten dritten Zeitintervall die zur Verfügung stehende Kapazität der Batterie für eine vorgebbare Tem peratur berechnet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Restzeit als Grundlage für die Regelung des Generators verwendet wird.