DE10337064A1 - Determination method for the high-current carrying capacity of a battery, wherein parameters of a model of the battery impedance are determined and from them its current carrying ability predicted - Google Patents

Determination method for the high-current carrying capacity of a battery, wherein parameters of a model of the battery impedance are determined and from them its current carrying ability predicted Download PDF

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Abstract

Method for determining or predicting the high current carrying capacity of a battery in which the parameters of a model of the battery impedance are determined and from them the current carrying ability of the battery is determined. The invention also relates to a corresponding device for implementation of the inventive method.

Description

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.The The invention relates to a method for determining and / or predicting the high current carrying capacity of a battery, especially a starter battery for a Motor vehicle, and an apparatus for performing such a method.

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.The Predicting the behavior of an electrical energy store, in particular a battery in different modes is of great importance for the Energy management of a vehicle, especially for safety-related functions. The most critical operating mode is the load on the energy storage or the battery with a high discharge current. An example from of particular importance is the starting process of an internal combustion engine, at which the necessary minimum speed by an electrical Starter is generated by an electrical energy storage, usually a lead-acid accumulator, is fed. Other applications are particularly electro-hydraulic Braking, electric steering and electrically assisted starting or accelerate as will increasingly be used in the future is used, especially in hybrid vehicles. These modes of operation is common that they on the one hand are connected to a high discharge current and on the other hand only last for a relatively short time, generally only a few seconds.

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.If the tension during this process falls below a minimum voltage, it is not possible, sufficient power from the energy storage or the battery in order to successfully complete the process.

Um die Leistungsfähigkeit einer Starterbatterie eines Kraftfahrzeugs zu bestimmen oder vorherzusagen sind unterschiedliche Ansätze bekannt.Around the efficiency to determine or predict a starter battery of a motor vehicle are different approaches known.

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.In some cases, the start process itself is evaluated to determine the battery status. After DE 199 50 424 A1 a battery impedance is determined from pairs of values of voltage and current and the course of which is evaluated during a starting process. The change in this impedance as a function of the amount of charge is used as a criterion for the quality of the accumulator. In the DE 199 50 424 A1 is concluded from a past high current discharge process to a future, similar process. This means that an at least similar process with a high current load must take place periodically. If this is not the case, the parameters are not determined with sufficient accuracy.

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.Other methods also determine the resistance or impedance values by dividing related voltage and current changes. After DE 25 00 058 this resistance is determined during excitation by a current signal. From the US 63 31 762 a similar method is known, in which existing current fluctuations in the vehicle electrical system can be exploited. Based on the simplified assumption that an electrochemical accumulator can be represented by a voltage source with internal resistance, the internal resistance is used to infer performance. After DE 25 00 058 the purely ohmic component is mainly used to evaluate the battery condition and to estimate the starting ability. The statement thus refers to the voltage drop under load, but not to the duration of the starting process. The battery behavior is significantly more complex and cannot only be represented by this parameter. The previously known methods only allow a simple yes / no decision and no qualitative statement about the ability to start.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein vorteilhaftes Verfahren und eine vorteilhafte Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Vorhersage der Hochstrombelastbarkeit einer Batterie vorzuschlagen.task the invention is an advantageous method and an advantageous Device for determining and / or predicting the high current carrying capacity to propose a battery.

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 16.According to the invention Task in a method of the type specified by the Features of claim 1 solved. The solution at a device of the type mentioned is carried out by the Features of claim 16.

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. In entsprechender Weise ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Vorhersage der Hochstrombelastbarkeit einer Batterie durch einen Controller, vorzugsweise einen Mikrocontroller, zum Bestimmen der Parameter eines Modells der Batterieimpedanz und zum Bestimmen der Hochstrombelastbarkeit der Batterie gekennzeichnet. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.at the procedure for determining and / or predicting the high current carrying capacity A battery becomes the parameters of a model of battery impedance certainly. The high current carrying capacity of the battery is determined from this. A device according to the invention for determining is correspondingly and / or prediction of the high current carrying capacity of a battery a controller, preferably a microcontroller, for determining the parameters of a model of battery impedance and to determine the high current carrying capacity of the battery. Advantageous further training the invention are described in the subclaims.

Durch die Erfindung wird eine zuverlässige Vorhersage des Klemmenverhaltens des Energiespeichers bzw. der Batterie während einer Hochstrombelastung ermöglicht.By the invention becomes a reliable prediction the terminal behavior of the energy storage device or the battery during a High current load enables.

Vorteilhaft ist es, die Parameter des Modells der Batterieimpedanz aus den gleichzeitigen Messungen der beiden Meßgrößen Batteriespannung und Batteriestrom zu bestimmen.It is advantageous to take the parameters of the model of the battery impedance from the simultaneous measurements of the two measured variables battery voltage and determine battery power.

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.Advantageous is when the measurements are carried out and / or evaluated in a limited frequency band become. However, it is also possible that Perform measurements in several frequency bands or evaluate. It is advantageous if analog and / or digital Filters the frequency band of the measured values limit so that only a desired one Frequency band is evaluated. The adjustment of the filter limits can be automated, especially by evaluating the performance integral in the chosen one Frequency band.

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.A Another advantageous development is characterized in that the parameters of the model of the battery impedance determined by an evaluation method become. It is preferably an integrating evaluation method.

Die Bestimmung der Parameter des Modells der Batterieimpedanz gelingt durch die Auswertung der Wechselanteile der Meßgrößen.The Determination of the parameters of the model of the battery impedance succeeds by evaluating the alternating components of the measured variables.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Realteil der Batterieimpedanz aus den mittelwertfreien Wechselanteilen des Batteriestroms und der Batteriespannung in einem Frequenzintervall um eine mittlere Frequenz bestimmt wird. Dies erfolgt vorzugsweise nach folgender Formel:

Figure 00040001
A further advantageous development is characterized in that the real part of the battery impedance is determined from the mean-free alternating parts of the battery current and the battery voltage in a frequency interval around a medium frequency. This is preferably done using the following formula:
Figure 00040001

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.Herein, i k and u k denote the time-discretely sampled values of the battery current i (t) and the battery voltage u (t), which are summed over an interval of a number (N) of time steps.

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.To The parameters are a further advantageous development the model of the battery impedance from a functional context determined by measured variables, which are determined at one or more frequencies.

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.A Another advantageous development is characterized in that one or several measurands on one Operating point are measured and that the determination and / or prediction of the High current carrying capacity for another operating point takes place.

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.The Parameters of the model of battery impedance can be determined continuously become. The measured variables, preferably determined online, can be used for continuous parameterization of the battery impedance model.

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.The The battery impedance model can be a modular equivalent circuit diagram his. Preferably includes the equivalent circuit diagram contains concentrated elements or the equivalent circuit diagram exists from concentrated elements. In certain use cases it would be advantageous if the equivalent circuit diagram from a small or minimum or minimum Number of concentrated elements. The equivalent circuit diagram can for the individual time periods of the prediction applied completely or partially or be used.

Das Modell der Batterieimpedanz und/oder dessen Parametrierung können Bestandteil eines Vorhersagealgorithmus, insbesondere eines adaptiven Vorhersagealgorithmus, sein.The The model of the battery impedance and / or its parameterization can be part of it a prediction algorithm, in particular an adaptive prediction algorithm, his.

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.As Measured variables can be On-board electrical system existing signals are used. In this case it works the procedure passive. Instead, or in addition, it is too possible, that measurands by impress of one or more signals, preferably current signals and / or Voltage signals are generated. The process works in this So active case. Instead of one or both of the options mentioned or additionally to one or both of these options can the measured variables the switching of loads are generated, preferably by switching loads in the vehicle.

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.The device according to the invention preferably includes a bandpass filter for the alternating components of the battery voltage and / or a bandpass filter for the alternating shares of battery current or for a voltage representing the alternating components of the battery current.

Der Controller bzw. Mikrocontroller kann der bereits im Fahrzeug vorhandene Controller bzw. Mikrocontroller sein.The The controller or microcontroller can be the one already in the vehicle Controller or microcontroller.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung im einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigtOn embodiment The invention will hereinafter be described in more detail with reference to the accompanying drawing explained. In the drawing shows

1 ein modular aufgebautes Ersatzschaltbild der Batterieimpedanz mit konzentrierten Elementen und 1 a modular equivalent circuit diagram of the battery impedance with concentrated elements and

2 ein Schaltbild für eine Kraftfahrzeug-Batterie. 2 a circuit diagram for a motor vehicle battery.

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. 1 shows an equivalent circuit diagram of an energy store 1 , in particular a battery for a motor vehicle, with concentrated elements, namely an internal resistance R i , which is connected in series with an RC element and an impedance Z S , the RC element consisting of a parallel connection of a resistor R CT and a capacitor C. DL consists.

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.The circuit diagram according to 2 shows a battery 1 for a motor vehicle that has a load, namely an electrical system 2 , dines. With the electrical system 2 is a generator 3 connected in parallel. There is a current sensor in the circuit of the battery 4 connected in series with a measuring output. The measurement output of the current sensor 4 delivers a voltage signal to the bandpass filter 5 , Parallel to the battery 1 is a voltage measurement 6 switched that a voltage signal to the bandpass filter 7 emits.

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.The output signals of the bandpass filter 5 . 7 are each an adjustable amplifier 8th . 9 fed, of which you amplified and each a sample-and-hold link 10 . 11 are fed. The output of the sample and hold elements 10 . 11 is with a microcontroller 12 connected. In the microcontroller 12 A / D converters are integrated. Furthermore, the microcontroller 12 each a feedback signal 13 . 14 to the adjustable amplifiers 8th . 9 from. The microcontroller 12 is also a member of the sample and holder 10 . 11 fed back.

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.To determine the parameters of the model of the battery impedance, the measured variables battery current and battery voltage are measured. For the impedance determination, only the alternating component of these variables is evaluated in different frequency ranges. In order to achieve a good resolution, battery current and battery voltage are separated into DC and AC components. This happens through a high pass. To avoid undersampling, the input signal is also limited by an anti-aliasing filter with a cutoff frequency of 2 kHz. Since the signal amplitude can vary over a wide range, the signals are also amplified by two adjustable amplifier stages (PGA, Programmable Gain Amplifier). The gain is from the microcontroller 12 set so that the signals make optimal use of the input voltage range of the analog-digital converter in which the signals are converted for further use in the microcontroller. Since the current values and voltage values are to be recorded at the same time if possible, the signal paths of the battery voltage and battery current are constructed identically so that phase shifts and signal propagation times compensate each other, and on the other hand both signals are simultaneously held in one holding element 10 . 11 saved. These are from the microcontroller 12 controlled, the values then sequentially from the holding links 10 . 11 reads and reads into the analog-digital converter also located in the controller. These signal values also provide the microcontroller with further signal paths for processing the direct components of voltage and current for further evaluation. In addition, the battery temperature is determined via a further sensor and transmitted to the microcontroller.

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.In the microcontroller is made from the measured values or measurement data Parameters of the model of the battery impedance (impedance parameter) calculated. These become the parameters of the energy storage model certainly. With the help of the model or the parameters of the model a value for the ability to start respectively.

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.High current-carrying capacity of the battery determined or determined. By evaluating further Sizes, in particular the equal parts of battery voltage and battery current as well as the Battery temperature, can additional State variables like in particular the state of charge of the battery can be determined. The state variables, direct Measurands as well the auxiliary variables determined in the calculations can be sent to external or in the vehicle integrated evaluation and / or display devices are transmitted, in particular via a serial port and over a CAN bus module.

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.By the invention enables the terminal behavior of an electrochemical energy store during a Predict high current discharge. For this, a model the energy store, which preferably comprises concentrated elements, parameterized by determining impedance-based parameters.

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.The model of the energy storage device can be used as an electrical equivalent circuit diagram (ESB; see for example 1 ) being represented. The individual elements of the electrical equivalent circuit diagram represent a clear connection between the current flowing through the element and the voltage across the element. The elements are characterized by one or more parameters. The model is designed in such a way that the terminal behavior of the energy store can be predicted with sufficient accuracy for the respective application with as few parameters as possible.

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 einen andere Größe gegenüberstellen oder differentiell arbeiten, d.h. der Veränderung einer Größe die Veränderung einer anderen Größe gegenüberstellen.The parameters of the model are determined during operation so that the model describes the current state of the energy store and allows a prediction of the terminal behavior in this state. In order to make predictions for a different operating state than the current one, assignments of the parameters to other state variables such as temperature or state of charge are used. These assignments can be presented in the form of tables, mathematical functions or combinations of different methods (alternatives: expert systems, sets of rules, combination with fuzzy logic, neural Networks and the like). The assignments can directly compare a size with another size or work differentially, ie the change in size can be compared with the change in another size.

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.In addition to The parameters determined during operation can be given default values for the parameters before commissioning determined and stored in tables or parameters during breaks be determined.

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.The Equivalent circuit parameters are derived from impedance values which are determined based on performance considerations and the sizes, tension and evaluate electricity. A determination of the ohmic internal resistance following this principle is in the older, not pre-published German patent application 102 05 120.8-34, to which reference is hereby made is described. By expanding the process, the real parts of the complex impedance of the energy storage at different Determine frequencies or in different frequency intervals. For this must Signal spectrum can be limited. This can be done through analog or digital filters or a suitable combination of both. The parameters result from the impedance values determined in this way of the model through mathematical assignments or tables with a or several impedance values as well as constant or variable Auxiliary variables.

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.By the invention enables a method for predicting the high current carrying capacity of batteries, especially lead-acid batteries, based on a model of battery impedance. It is possible, using the model of battery impedance through impedance measurements one about integrating evaluation method that works by determining the resistance to parameterize. It is possible Measurands or Evaluate signals of different frequency ranges. It is further possible, that the functional relationships between impedance values and model parameters or the parameters of these relationships adapted the evaluation of the voltage and current profiles during a starting process become. In the process, an automatic gain selection can be made in front of the measurement inputs, to achieve an optimal adaptation of the signal-to-noise ratio. The measured value acquisition can with a high measuring rate happen, especially in such a way that the time interval between two Measurements are at least 2 times smaller than the smallest Time constant of the underlying model of the energy storage. The measuring rate can be 10 kHz. The measurement data is preferably processed in a microcomputer. The measured values or pre-processed intermediate values can be in a volatile or not volatile Storage be stored before further processing. The state variables of the model to be parameterized can be in a non-volatile Storage.

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.It is possible, in the method according to the invention perform a performance review that is integrative and is therefore more stable than differentiating processes. The model can a more complex impedance and thus the timing of the starting process consider. The process can be carried out in such a way that a minimum voltage predicted based on impedance and a predicted current profile can be. The parameters of the model can be from any loading or unloading be determined.

Claims (19)

Verfahren zur Bestimmung und/oder Vorhersage der Hochstrombelastbarkeit einer Batterie, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter eines Modells der Batterieimpedanz bestimmt werden und dass daraus die Hochstrombelastbarkeit der Batterie bestimmt wird.Method for determining and / or predicting the high current carrying capacity of a battery, characterized in that the parameters of a model of the battery impedance are determined and that the high current carrying capacity of the battery is determined therefrom. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter des Modells der Batterieimpedanz aus den gleichzeitigen Messungen der beiden Meßgrößen Batteriespannung (u(t)) und Batteriestrom (i(t)) bestimmt werden.A method according to claim 1, characterized in that the parameters of the model of battery impedance from the simultaneous Measurements of the two parameters, battery voltage (u (t)) and battery current (i (t)) can be determined. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen in einem begrenzten Frequenzband durchgeführt und/oder ausgewertet werden.A method according to claim 2, characterized in that the measurements are carried out in a limited frequency band and / or be evaluated. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter des Modells der Batterieimpedanz durch ein Auswerteverfahren bestimmt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized that the parameters of the model of battery impedance be determined by an evaluation method. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswerteverfahren ein integrierendes Auswerteverfahren ist.A method according to claim 4, characterized in that the evaluation process is an integrative evaluation process is. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Parameter des Modells der Batterieimpedanz durch die Auswertung der Wechselanteile der Meßgrößen durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized that the determination of the parameters of the model of the Battery impedance is carried out by evaluating the alternating components of the measured variables. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Realteil der Batterieimpedanz (Re(Z(fm))) aus den mittelwertfreien Wechselanteilen des Batteriestroms (i(t)) und der Batteriespannung (u(t)) in einem Frequenzintervall um eine mittlere Frequenz (fm) nach der Formel
Figure 00120001
bestimmt wird, wobei ik und uk die zeitdiskret abgetasteten Werte des Batteriestroms (i(t)) und der Batteriespannung (u(t)) bezeichnen, die über ein Intervall einer Anzahl (N) von Zeitschritten summiert werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the real part of the battery impedance (Re (Z (f m ))) from the average-free alternating parts of the battery current (i (t)) and the battery voltage (u (t)) around in a frequency interval an average frequency (f m ) according to the formula
Figure 00120001
is determined, where i k and u k denote the time-discretely sampled values of the battery current (i (t)) and the battery voltage (u (t)), which are summed over an interval of a number (N) of time steps. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter des Modells der Batterieimpedanz aus einem funktionellen Zusammenhang von Meßgrößen bestimmt werden, die bei einer oder mehreren Frequenzen bestimmt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized that the parameters of the model of battery impedance can be determined from a functional relationship of measured variables, which at one or more frequencies can be determined. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized that one or more measured variables at an operating point be measured and that the determination and / or prediction of the High current carrying capacity for another operating point takes place. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter des Modells der Batterieimpedanz kontinuierlich bestimmt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized that the parameters of the model of battery impedance be determined continuously. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell der Batterieimpedanz ein modular aufgebautes Ersatzschaltbild mit vorzugsweise konzentrierten Elementen ist.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized that the model of battery impedance is a modular Equivalent circuit diagram with preferably concentrated elements is. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell der Batterieimpedanz Bestandteil eines vorzugsweise adaptiven Vorhersagealgorithmus ist.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized that the model of the battery impedance component is a preferably adaptive prediction algorithm. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Meßgrößen im Bordnetz vorhandene Signale verwendet werden.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized as measured quantities in the vehicle electrical system existing signals are used. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Meßgrößen durch Aufprägen von Signalen, vorzugsweise Stromsignalen und/oder Spannungssignalen, erzeugt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized that measurands by impress of signals, preferably current signals and / or voltage signals, be generated. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Meßgrößen durch das Schalten von Lasten erzeugt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized that measurands by switching loads are generated. Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Vorhersage der Hochstrombelastbarkeit einer Batterie, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch, einen Controller zum Bestimmen der Parameter eines Modells der Batterieimpedanz und zum Bestimmen der Hochstrombelastbarkeit der Batterie.Device for determining and / or predicting the High current load capacity of a battery, in particular for carrying out the Method according to one or more of claims 1 to 15, characterized by, a controller for determining the parameters of a model the battery impedance and to determine the high current carrying capacity the battery. Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch einen Bandpassfilter für die Wechselanteile der Batteriespannung.Device according to claim 16, characterized by a bandpass filter for the alternating components of the battery voltage. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, gekennzeichnet durch einen Bandpassfilter für die Wechselanteile des Batteriestroms oder für eine die Wechselanteile des Batteriestroms repräsentierende Spannung.Device according to claim 16 or 17, characterized through a bandpass filter for the alternating components of the battery current or, for one, the alternating components of the Voltage representing battery current. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller der bereits im Fahrzeug vorhandene Controller ist.Device according to one of claims 16 to 18, characterized in that that the controller is the controller already in the vehicle is.
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