DE10337064B4 - 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

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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 determination and / or prediction the high current carrying capacity of a battery, in particular a starter battery for a Motor vehicle, and an apparatus for carrying out 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, in particular for safety-related functions. The most critical mode of operation is the load on the energy store or the battery with a high discharge current. An example of Of particular importance is the starting process of an internal combustion engine, where the necessary minimum speed by an electric Starter is generated by an electrical energy storage, usually a lead acid accumulator, is fed. Other applications are in particular the electro-hydraulic Brakes, electric steering and electrically assisted starting or accelerating, as will be increasingly used in the future especially in hybrid vehicles. This mode is together that they on the one hand connected to a high discharge current and on the other only relatively short, generally only a few seconds, persist.

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 is not below a minimum voltage, it is not possible, sufficient power from the energy storage or the battery to complete the process successfully.

Um die Leistungsfähigkeit einer Starterbatterie eines Kraftfahrzeugs zu bestimmen oder vorherzusagen sind unterschiedliche Ansätze bekannt.Around the efficiency 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 startup history itself is evaluated to conclude the battery condition. After DE 199 50 424 A1 From value pairs of voltage and current, a battery impedance is determined and evaluated their course during a boot 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 closed from a past high-current discharge on a future, similar process. This means that periodically an at least similar operation with high current load must take place. If this is not the case, there is no sufficiently accurate determination of the parameters.

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 resistance or impedance values by dividing related voltage and current changes. After DE 25 00 058 This resistance determination happens during an excitation by a current signal. From the US 63 31 762 a similar method is known, wherein existing power fluctuations in the electrical system of a vehicle can be exploited. Based on the simplified assumption that an electrochemical accumulator can be represented by a voltage source with internal resistance, the performance is determined from the internal resistance. After DE 25 00 058 For example, the pure ohmic component is 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 much more complex and can not only be represented by this parameter. The previously known methods also allow only a simple yes / no decision and no qualitative statement about the starting ability.

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.From the US Pat. No. 6,037,777 A A method is known for determining and predicting the high-current capacity of a battery, in which the parameters of a model of the battery impedance are determined and from this the high-current capacity of the battery is determined.

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 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 15.According to the invention this Task in a method of the type specified by the Characteristics of claim 1 solved. The solution at a device of the type specified is carried out by the Features of claim 15.

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:

Figure 00030001
In the method for determining and / or predicting the high current capability of a battery, the parameters of a battery impedance model are determined. From this, the high current carrying capacity of the battery is determined. This is done by determining the real part of the battery impedance from the mean-free alternating parts of the battery current and the battery voltage in a frequency interval around an average frequency, according to the following formula:
Figure 00030001

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

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:

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.In a corresponding manner, a device according to the invention for determining and / or predicting the high-current capacity of a battery, in particular by carrying out the method according to the invention, is characterized by a controller, preferably a microcontroller, for determining the parameters of a model of the battery impedance and for determining the high-current capacity of the battery, wherein 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 an average frequency, according to the following formula:
Figure 00040001
Here, i k and u k denote the time-discretely sampled values of the battery current i (t) and the battery voltage u (t) summed over an interval of a number (N) of time steps.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.advantageous Further developments of 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 or the battery during a High current load allows.

Vorteilhaft ist es, die Parameter des Modells der Batterieimpedanz aus den gleichzeitigen Messungen der beiden Meßgrößen Batteriespannung und Batteriestrom zu bestimmen.Advantageous It is the parameters of the model of the battery impedance from simultaneous Measurements of the two measured quantities battery voltage and Battery current to determine.

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 performed in a limited frequency band and / or evaluated become. It is also possible, however Perform measurements in several frequency bands or evaluate. It is advantageous if analog and / or digital Filter the frequency band of the measured values limit, so that only a desired one Frequency band is evaluated. The adaptation of the filter limits can be automated, in particular under evaluation of the power integral in the chosen 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 Further advantageous development is characterized in that the parameters the model of battery impedance determined by an evaluation become. Preferably, it is 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 the evaluation of the alternating components of the measured quantities.

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 In a further advantageous embodiment, the parameters of the model of 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 Further 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 battery impedance model can be determined continuously become. The measured variables, which are 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 Model of battery impedance can be a modular equivalent circuit diagram be. Preferably comprises the equivalent circuit is concentrated elements or exists the equivalent circuit diagram of concentrated elements. In certain applications can It may be advantageous if the equivalent circuit of a small or minimal or least possible Number of concentrated elements. The equivalent circuit diagram can for the individual time ranges of the prediction fully or partially applied or used.

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

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.When Measurands can in On-board network existing signals are used. In this case works the procedure is passive. Instead, or in addition, it is possible, that measured variables impress of one or more signals, preferably current signals and / or Voltage signals are generated. The procedure works in this Case active. Instead of one or both of these options or additionally to one or both of these possibilities can the measured variables the switching of loads are generated, preferably by switching of loads present 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 inventive device preferably comprises a bandpass filter for the alternating components of the battery voltage and / or a bandpass filter for the bills of exchange of the battery current or for a voltage representing the alternating parts of the battery current.

Der Controller bzw. Mikrocontroller kann der bereits im Fahrzeug vorhandene Controller bzw. Mikrocontroller sein.Of the Controller or microcontroller can already existing in the vehicle Be controller or microcontroller.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung im einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigtOne embodiment The invention is described below with reference to the accompanying drawings in detail 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 storage 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 , wherein the RC element consists of a parallel connection of a resistor R CT and a capacitor C DL exists.

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, which is a load, namely an electrical system 2 , feeds. With the electrical system 2 is a generator 3 connected in parallel. In the circuit of the battery is a current sensor 4 connected in series with a measuring output. The measuring output of the current sensor 4 provides a voltage signal to the bandpass filter 5 , Parallel to the battery 1 is a voltage measurement 6 which provides 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 filters 5 . 7 are each an adjustable amplifier 8th . 9 fed, one of which is amplified and one sample-and-hold member each 10 . 11 be supplied. The output of the sample-and-hold members 10 . 11 is with a microcontroller 12 connected. In the microcontroller 12 are integrated A / D converter. Furthermore, there is the microcontroller 12 in each case a feedback signal 13 . 14 to the adjustable amplifier 8th . 9 from. The microcontroller 12 is further to the sample-and-holder members 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 quantities battery current and battery voltage are measured. For 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 component and AC component. This is done by a high pass. To avoid subsampling, the input signal is also limited by an anti-aliasing filter with a cut-off 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 adjusted so that the signals optimally use the input voltage range of the analog-to-digital converters, in which the signals are converted in the microcontroller for further utilization. Since the current values and voltage values are to be detected 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, on the other hand, both signals are simultaneously in each case a holding member 10 . 11 saved. These are from the microcontroller 12 controlled, the values then sequentially from the holding members 10 . 11 reads and reads into the also located in the controller analog-to-digital converter. Additional signal paths for processing the DC and DC components also provide these values to the microcontroller for further evaluation. In addition, the battery temperature is determined via another 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 From the measured values or measured data, the microcontroller becomes the Calculated parameters of the model of the battery impedance (impedance parameter). These become the parameters of the energy storage model certainly. With the help of the model or the parameter of the model becomes a value for the starting ability 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 the battery is determined or determined. By evaluation of further Sizes, in particular the equal parts of battery voltage and battery current and the Battery temperature, can additional State variables such as in particular, the state of charge of the battery can be determined. The state variables, direct Measured variables as well The auxiliary variables determined during the calculations can be sent to external or in the vehicle integrated evaluation and / or display devices are transmitted, in particular via a serial interface 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 makes it possible the terminal behavior of an electrochemical energy store during a Predict discharge with high current. This is 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 energy storage model can be used as an electrical equivalent circuit diagram (ESB; 1 ) being represented. The single Ele Elements of the equivalent electrical circuit diagram represent a clear relationship between the current flowing through the element and the voltage applied across the element. The elements are characterized by one or more parameters. The model is designed in such a way that with as few parameters as possible, the terminal behavior of the energy store can be predicted with sufficient accuracy for the respective application.

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.The Parameters of the model are used during the Operation determines, so that the Model describes the current state of the energy storage and a Prediction of the terminal behavior allowed in this state. Around Predictions for to allow another than the current operating state assignments of parameters to other state variables such as Temperature or state of charge used. These assignments can be in shape of tables, mathematical functions or combinations different methods (alternatives: expert systems, Rules, combination with fuzzy logic, neural networks and the like). The assignments can be one Size directly face a different size or differentially, i. the change of a size the change face a different 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 used to set 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 Parameters of the equivalent circuit 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 according to this principle is in the seniority, not pre-published German Patent Application 102 05 120.8-34, to the hereby incorporated by reference is taken. By extending the process can be the real parts of the complex impedance of the energy store at different Determine frequencies or in different frequency intervals. For this that must be Signal spectrum be limited. This can be done by analog or digital filters or a suitable combination of both. From the thus determined impedance values, the parameters result of the model by mathematical mappings or tables with one or more impedance values as well as constant or variable ones 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 makes it possible a method of predicting the high current carrying capacity of batteries, especially lead-acid batteries, on the basis of a model of battery impedance. It is possible, the model of battery impedance using impedance measurements using one over the determination of resistance, working, integrating evaluation to parameterize. It is possible Measured variables or Evaluate signals of different frequency ranges. It is further possible, that the functional relationships between impedance values and model parameters or the characteristics of these relationships adapted the evaluation of the voltage and current profiles during a starting process become. In the method, an automatic gain selection be carried out in front of the measuring entrances, to achieve an optimal adaptation of the signal-to-noise ratio. The measured value acquisition can with a high measuring rate happen, in particular such that the time interval between two Measurements are at least a factor of 2 smaller than the smallest Time constant of the underlying model of energy storage. The measuring rate can be 10 kHz. The processing of the measured data is preferably done in a microcomputer. The measured values or preprocessed intermediate values can be in a volatile or non-volatile Memory are stored before further processing. The state variables of the model to be parameterized can in a non-volatile Memory are stored.

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 to perform a performance analysis that is integrating and thus more stable than differentiating processes. The model can a more complex impedance and thus the timing of the boot process consider. The method can be carried out in such a way that a minimum voltage due to the impedance and a predicted current profile predicted can be. The parameters of the model can be selected from any loading or unloading be determined.

Claims (16)

Verfahren zur Bestimmung und/oder Vorhersage der Hochstrombelastbarkeit einer Batterie, bei dem die Parameter eines Modells der Batterieimpedanz bestimmt werden und daraus die Hochstrombelastbarkeit der Batterie bestimmt wird, 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 for determining and / or predicting the high-current capacity of a battery, in which the parameters of a battery impedance model are determined and from which the high-current capacity of the battery is determined, characterized in that the real part of the battery impedance (Re (Z (f m ))) the mean-free alternating parts of the battery current (i (t)) and the battery voltage (u (t)) in a frequency interval about an average frequency (f m ) according to the formula
Figure 00120001
where i k and u k denote the time discretely sampled values of the battery current (i (t)) and the battery voltage (u (t)) summed over an interval of a number (N) of time steps. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter des Modells der Batterieimpedanz aus den gleichzeitigen Messungen der bei den Meßgrößen Batteriespannung (u(t)) und Batteriestrom (i(t)) bestimmt werden.Method according to claim 1, characterized in that that the parameters of the model of battery impedance from the simultaneous Measurements of the measured quantities battery voltage (u (t)) and battery current (i (t)) are determined. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen in einem begrenzten Frequenzband durchgeführt und/oder ausgewertet werden.Method according to claim 2, characterized in that that the measurements are performed in a limited frequency band and / or be evaluated. 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 in that the determination of the parameters of the model of Battery impedance is performed by the evaluation of the alternating components of the measured quantities. 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 in that the parameters of the model of battery impedance be determined from a functional relationship of measures that at one or more frequencies are 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 in 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 in 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 in that the model of battery impedance is a modular constructed 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 in that the model of the battery impedance component 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 in that as measured variables in the 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 in that measured variables 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 in that measured variables by the switching of 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 12, gekennzeichnet durch, einen Controller zum Bestimmen der Parameter eines Modells der Batterieimpedanz und zum Bestimmen der Hochstrombelastbarkeit der Batterie, wobei 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 00140001
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.Apparatus for determining and / or predicting the high-current capacity of a battery, in particular for carrying out the method according to one or more of claims 1 to 12, characterized by a controller for determining the parameters of a model of the battery impedance and for determining the high-current capacity of the battery Real part of the battery impedance (Re (Z (f m ))) from the mean-free alternating parts of the battery current (i (t)) and the battery voltage (u (t)) in a frequency interval around an average frequency (f m ) according to the formula
Figure 00140001
where i k and u k denote the time discretely sampled values of the battery current (i (t)) and the battery voltage (u (t)) summed over an interval of a number (N) of time steps. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch einen Bandpassfilter für die Wechselanteile der Batteriespannung.Apparatus according to claim 13, characterized by a bandpass filter for the alternating parts of the battery voltage. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch einen Bandpassfilter für die Wechselanteile des Batteriestroms oder für eine die Wechselanteile des Batteriestroms repräsentierende Spannung.Apparatus according to claim 13 or 14, characterized through a bandpass filter for the alternating parts of the battery current or for one of the alternating parts of the Battery current representing voltage. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller ein bereits im Fahrzeug vorhandener Controller ist.Device according to one of claims 13 to 15, characterized the controller has an existing controller in the vehicle is.
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