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WO2020002012A1 - Verfahren zum abschätzen eines zustandes eines elektrischen energiespeichersystems sowie system zum ermitteln einer verbleibenden kapazität eines elektrischen energiespeichersystems - Google Patents

Verfahren zum abschätzen eines zustandes eines elektrischen energiespeichersystems sowie system zum ermitteln einer verbleibenden kapazität eines elektrischen energiespeichersystems Download PDF

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Publication number
WO2020002012A1
WO2020002012A1 PCT/EP2019/065813 EP2019065813W WO2020002012A1 WO 2020002012 A1 WO2020002012 A1 WO 2020002012A1 EP 2019065813 W EP2019065813 W EP 2019065813W WO 2020002012 A1 WO2020002012 A1 WO 2020002012A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
storage system
energy storage
internal resistance
determined
remaining capacity
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/065813
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sepehr SHIRAZI
Ingo Koch
Original Assignee
Johnson Controls Autobatterie Gmbh & Co. Kgaa
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Johnson Controls Autobatterie Gmbh & Co. Kgaa filed Critical Johnson Controls Autobatterie Gmbh & Co. Kgaa
Publication of WO2020002012A1 publication Critical patent/WO2020002012A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/389—Measuring internal impedance, internal conductance or related variables
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/3644—Constructional arrangements
    • G01R31/3647—Constructional arrangements for determining the ability of a battery to perform a critical function, e.g. cranking
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • G01R31/367—Software therefor, e.g. for battery testing using modelling or look-up tables
    • G—PHYSICS
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    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/385—Arrangements for measuring battery or accumulator variables
    • G01R31/387—Determining ampere-hour charge capacity or SoC
    • G01R31/388—Determining ampere-hour charge capacity or SoC involving voltage measurements

Definitions

  • the present invention relates to a method for estimating a state of an electrical energy storage system, and in particular for estimating a remaining capacity of an electrical energy storage system.
  • the present invention further relates to a system for determining a remaining capacity of an electrical energy storage system.
  • Known systems and methods for determining the battery status use direct measurements of the battery status and / or the battery properties, by means of which the battery status is determined.
  • a method for determining the battery state is specified, in which battery-specific characteristics of the battery aging are used to derive the instantaneous values from the recorded values To determine battery aging influencing variables with the aid of the map, a battery aging value.
  • Document DE 103 35 928 A1 also discloses, for example, a method for determining a parameter relating to the state of charge of a storage battery, in which a first state of charge value related to the open circuit voltage of the battery-related state of charge and a second value related to the amount of charge converted is determined. The two state of charge values are evaluated with regard to their state of charge changes in order to derive a parameter for the state of the battery from the state of charge changes.
  • the removable capacity of a battery depends on the course of the discharge, ie the discharge current, the final discharge voltage (the voltage at which the discharge is ended), and the degree of discharge.
  • the battery has a different capacity depending on the discharge process. The discharge current and the final discharge voltage must therefore be specified in a meaningful specification of the nominal capacity.
  • the removable capacity of a battery decreases with increasing discharge current. This effect is described by the Peukert equation. This is due, among other things, to the voltage drop at the internal resistance of the battery, which increases with increasing current, which causes the output voltage to drop accordingly, so that the final discharge voltage is reached earlier. In addition to the internal resistance, the limited speed of the electrochemical processes and charge transport processes in the battery is also responsible for their decreasing capacity with increased discharge current. Conventional battery testers are based on measuring the internal resistance of the battery. Based on this measurement, a voltage value can be calculated that the battery will assume if a defined discharge profile or a defined type of discharge is applied. Discharge types include, for example, a discharge with a constant current, a discharge with a constant resistance or a discharge with a constant power.
  • a cold start current with the measured internal resistance of the battery and to define a threshold value at which the battery should be replaced.
  • the threshold could be at 50% of the nominal cold start current.
  • Cold start current is the maximum current that a battery can deliver at a temperature of -18 ° C for 30 seconds before the battery voltage is too low.
  • DIN German industry standard
  • a fully charged 12V battery is discharged at -18 ° C up to 6V, but should still be at least 9V after 30 seconds and only reach the limit of 6V after 150 seconds.
  • SAE American standard
  • a fully charged battery at -18 ° C should still have at least 7.2 V after 30 seconds of discharge.
  • IEC International Electrotechnical Commission
  • the battery should still have 8.4V at -18 ° C after 60 seconds.
  • the discharge time after a discharge at a final voltage of 7.5V should be a minimum of 10 seconds.
  • the conventional approaches for estimating or predicting a removable capacity of a battery are based on the assumption that the batteries are operated in a fully charged state (fully charged).
  • the boundary condition is generally no longer achievable, particularly with start-stop batteries, since these batteries are usually operated in a partially charged state (typically 70% to 80%).
  • degradation is understood to mean the decrease in the capacity of a battery over time, even when used properly, this decrease in capacity taking place due to chemical reactions (aging).
  • aging depends on the charging and discharging processes the electrodes of a battery to (only partially reversible) electrochemical processes that hinder a full charge or discharge.
  • lead accumulators this includes sulfation, in batteries on nickel technology, for example, battery inertia effects, and in batteries on lithium chemistry, electrode aging due to irreversible parasitic chemical reactions (calendar life).
  • start-stop systems Due to the increasing trend towards the use of so-called start-stop systems or automatic start-stop systems, the disadvantages discussed above are no longer acceptable in known systems for estimating the battery capacity. This is due in particular to the fact that in start-stop systems to reduce fuel consumption in stationary phases (eg when stopping at traffic lights), the engine switches off and stops automatically under certain conditions. These start-stop systems therefore require special conditions for the start-stop batteries.
  • a start-stop battery performs almost the same tasks and functions as a regular car battery, but it has to do a lot more, as the automatic start-stop causes the internal combustion engine to be switched on and off permanently, which is very important for the battery Performance required. It can therefore be seen that a properly functioning battery is required for the automatic start-stop system to function properly.
  • the object of the present invention is to provide an optimized diagnosis and analysis tool in order to be able to predict a possible battery defect quickly and reliably, in particular also for start-stop batteries.
  • a method for estimating a state of an electrical energy storage system is specified, with first of all an internal resistance and / or an impedance of the energy storage system and / or one with the coordinating variable is determined based on the internal resistance or the impedance of the energy storage system.
  • the determined internal resistance or the determined impedance of the energy storage system is then evaluated with regard to a remaining capacity of the energy storage system, taking into account an age-related decrease in a maximum available capacity of the energy storage system.
  • internal resistance used here is to be understood as the output resistance or source resistance which characterizes the output of the electrical energy storage system when the load changes.
  • impedance denotes the AC resistance of the energy storage system, which also relates to the output of the electrical energy storage system coordinates when the load changes.
  • an output voltage of the energy storage system to be measured while idling and a load current for a known or, in particular, changing load which has been predetermined or can be predetermined.
  • the internal resistance can change as a function of the state of charge and is the sum of the resistance of the lead plates (with a starter battery), their boundary layers and the electrolyte (acid filling).
  • a charge state of the energy storage system is used for evaluating the determined internal resistance determined.
  • the state of charge (SoC) is an important characteristic of the energy storage system. It is usually given in percentages, with 100% representing a fully charged accumulator. One hundred percent minus the value of the state of charge gives the degree of discharge (DoD).
  • Various methods can be used to determine the state of charge of the energy storage system, chemical, voltage-dependent, current-integrative (charge balancing), pressure-dependent methods and the measurement of the battery impedance being mentioned as examples.
  • a characteristic curve field is used for evaluating the determined internal resistance, the characteristic curve field representing several characteristic curves as a function of a parameter indicative of the state of charge of the energy storage system, in the form of several characteristic curves or in a three-dimensional coordinate system.
  • characteristic curve used here is to be understood in particular as the graphic representation of two interdependent physical quantities which are characteristic of the state of the electrical energy storage system.
  • the characteristic curves are represented as lines in a two-dimensional coordinate system.
  • a “characteristic curve field” in the sense of the present disclosure represents several characteristic curves as a function of further input variables (parameters) in the form of several characteristic curves or in a three-dimensional coordinate system.
  • the characteristic curves and characteristic curve fields can be approximated by mathematical functions in order to represent them analytically For example, they can be determined from measured values by interpolation and regression.
  • the characteristic curves of the characteristic field are determined in advance, preferably by determining a course of the internal resistance at different charge states for sample systems whose remaining capacity is known and which differ with regard to their remaining capacity.
  • the characteristics of the characteristic field represent estimated, approximated and / or calculated values of a remaining capacity of the energy storage system at different Values of the internal resistance and at different charge states of the energy storage system.
  • the method according to the invention enables a reproducible and precise estimation of a remaining capacity of the energy storage system.
  • This makes it possible to reliably predict in advance for predetermined times whether, for example, the energy storage system is reliably available as an energy source for a start-stop function of a vehicle or as an energy source for a start-stop system.
  • a start-stop system is an automatically operating system for reducing the fuel consumption in stationary phases (e.g. when stopping at traffic lights) of motor vehicles, especially in city traffic.
  • This prediction can be made, for example, by comparing the estimated remaining capacity with at least one predefined or definable threshold value.
  • the invention further relates to a system for determining a remaining capacity of an electrical energy storage system, in particular in the form of a motor vehicle starter battery, the system being designed on the basis of, in particular, a static internal resistance of the energy storage system and taking into account an age-related decrease a maximum available capacity of the energy storage system to determine the remaining capacity of the energy storage system.
  • the system preferably has an evaluation unit which is designed to evaluate an internal resistance of the energy storage system, with the evaluation unit being assigned a storage unit in which previously estimated, approximated, calculated or otherwise predetermined values are one remaining capacity of the energy storage system with different values of the internal resistance and with different states of charge of the energy storage system are stored as table values and / or as at least one analytical function.
  • the internal resistance of the energy storage system can either be determined (indirectly) by the system. Alternatively or in addition, it is conceivable if the system has an interface for entering a determined internal resistance of the energy storage system.
  • the system has a unit for determining a state of charge of the energy storage system or if the system is assigned a corresponding unit for determining a state of charge of the energy storage system. It is also conceivable here if the system has an interface for entering a determined state of charge of the energy storage system.
  • FIG. 1 shows a flowchart of an exemplary embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 2 shows an example of a characteristic field for estimating a state of an electrical energy storage system.
  • a cold cranking current is calculated with the battery internal resistance determined and a threshold value is defined, below which the battery is no longer considered sufficient to start the internal combustion engine.
  • This threshold value can be, for example, 50% of the nominal cold start current.
  • cold start current used herein is understood to mean the maximum current that a rechargeable battery or a battery can deliver at a temperature of -18 ° C. for 30 seconds before the battery voltage is too low.
  • start-stop batteries are generally not operated in a fully charged state. Rather, the state of charge is usually no higher than 70% to 80%. It is therefore necessary to ensure that the battery keeps this partial state of charge (PSoC) as stable as possible, this partial state also being taken into account when estimating the remaining capacity of the energy storage system. Due to the age-related decrease in the maximum available capacity, however, there is a deviation between the state of charge of the battery on the one hand and the remaining capacity of the energy storage system on the other.
  • PSoC partial state of charge
  • the state of the electrical energy storage system and in particular the remaining capacity of the energy storage system should be able to be predicted more reliably.
  • FIG. 1 schematically shows a flow diagram of an exemplary embodiment of the method according to the invention.
  • a first step step S1
  • the internal resistance of the energy storage system is determined in a conventional manner.
  • the state of charge of the energy storage system is then determined (step S2), the impedance of the energy storage system being measured, for example. io
  • step S3 the determined internal resistance and the determined state of charge of the energy storage system are evaluated with the aid of a characteristic field, with regard to a remaining capacity of the energy storage system.
  • the estimated remaining capacity of the energy storage system is then output (step S4).
  • a remaining capacity of the energy storage system is estimated and the estimated remaining capacity is compared to at least one predetermined or definable threshold value, the result of this comparison providing information about how long and to what extent, i.e. the extent to which the energy storage system is reliably available as an energy source for a start-stop system (step S5).
  • FIG. 2 shows an exemplary characteristic curve field for evaluating the remaining capacity of the energy storage system as a function of the determined internal resistance (ordinate axis) on the one hand and as a function of the determined state of charge of the energy storage system (abscissa axis) on the other hand.
  • the lower characteristic curve of the in FIG. 2 shows a remaining capacity of 100% of the energy storage system.
  • This characteristic curve represents a new (brand new) battery.
  • the characteristic curves of the characteristic field are recorded beforehand using sample batteries, the remaining capacity of which is known.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschätzen eines Zustandes eines elektrischen Energiespeichersystems, insbesondere einer Kraftfahrzeug- Starterbatterie, wobei hierzu ein Innenwiderstand und/oder eine Impedanz des Energiespeichersystems und/oder eine mit dem Innenwiderstand oder der Impedanz des Energiespeichersystems koordinierende Größe ermittelt und unter Berücksichtigung einer alterungsbedingten Abnahme einer maximal verfügbaren Kapazität des Energiespeichersystems im Hinblick auf eine verbleibende Kapazität des Energiespeichersystems ausgewertet wird.

Description

VERFAH REN ZUM ABSCHÄTZEN EIN ES ZUSTANDES EIN ES ELEKTRISCH EN EN ERGIESPEICH ERSYSTEMS SOWIE SYSTEM ZUM ERMITTELN EIN ER VERBLEIBEN DEN KAPAZITÄT EIN ES ELEKTRISCH EN EN ERGIESPEICH ERSYSTEMS
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschätzen eines Zustandes eines elektrischen Energiespeichersystems, und insbesondere zum Abschätzen ei- ner verbleibenden Kapazität eines elektrischen Energiespeichersystems. Des Wei- teren betrifft die vorliegende Erfindung ein System zum Ermitteln einer verblei- benden Kapazität eines elektrischen Energiespeichersystems.
Die Zustandsbestimmung eines elektrischen Energiespeichersystems insbesondere eines Fahrzeuges gewinnt mit zunehmenden Fahrzeugfunktionen, welche elektri sche Energie zumindest zur Unterstützung benötigen, stark an Bedeutung. Da vermehrt sicherheitsrelevante Funktionen des Fahrzeuges elektrische Unterstüt- zung erfahren, wird die Zuverlässigkeit der Zustandsbestimmung und -abschät- zung des Energiespeichersystems immer wichtiger.
Bekannte Systeme und Verfahren zur Batteriezustandsermittlung greifen dabei auf direkte Messwerte des Batteriezustandes und/oder der Batterieeigenschaften zurück, mittels derer der Batteriezustand bestimmt wird .
So wird beispielsweise in der Druckschrift DE 195 40 827 C2 ein Verfahren zur Batteriezustandsermittlung angegeben, bei welchem batteriespezifische Kennfel- der der Batteriealterung genutzt werden, um aus erfassten Momentanwerten der Batteriealterungseinflussgrößen mit Hilfe des Kennfeldes einen Batteriealterungs- wert zu ermitteln.
Auch ist aus der Druckschrift DE 103 35 928 Al beispielsweise ein Verfahren zum Ermitteln einer auf dem Ladezustand einer Speicherbatterie bezogenen Kenn- größe bekannt, bei welchem ein erster auf die Ruhespannung der batteriebezoge- nen Ladezustandswert und ein zweiter auf die umgesetzte Ladungsmenge bezo- gener Ladezustandswert bestimmt wird. Die beiden Ladezustandswerte werden hinsichtlich ihrer Ladezustandsänderungen ausgewertet, um aus den Ladezu- standsänderungen eine Kenngröße für den Batteriezustand abzuleiten.
Diese bekannten Systeme weisen den Nachteil auf, dass größere Fehler in den Messgrößen die Ausgangsgröße unmittelbar beeinflussen, und daher die Zustand- sermittlung des Batteriesystems nicht eindeutig ist bzw. verfälscht werden kann.
Darüber hinaus existieren Batterietestvorrichtungen, mit denen die Ladungs- menge, die ein Akkumulator speichern kann, vorhergesagt werden kann. Die ent- nehmbare Kapazität einer Batterie hängt von Entladeverlauf ab, also vom Entla- destrom, von der Entladeschlussspannung (die Spannung, bei der die Entladung beendet wird), und vom Entladungsgrad. Je nach Entladeverlauf besitzt der Akku- mulator eine andere Kapazität. In einer aussagekräftigen Angabe der Nennkapazi- tät müssen daher sowohl der Entladestrom als auch die Entladeschlussspannung angegeben werden.
Generell nimmt die entnehmbare Kapazität einer Batterie mit zunehmendem Ent- ladestrom ab. Dieser Effekt wird durch die Peukert-Gleichung beschrieben. Ver- antwortlich hierfür ist unter anderem der mit steigenden Strom zunehmende Spannungsabfall am Innenwiderstand der Batterie, der die Ausgangsspannung entsprechend absinken lässt, sodass die Entladeschlussspannung früher erreicht wird. Neben dem Innenwiderstand ist auch die begrenzente Geschwindigkeit der elektrochemischen Prozesse und Ladungstransportvorgänge in der Batterie für ihre sinkende Kapazität bei erhöhten Entladestrom verantwortlich. Herkömmliche Batterieprüfvorrichtungen basieren darauf, dass der Innenwiderstand der Batterie gemessen wird. Basierend auf dieser Messung kann ein Spannungswert berechnet werden, den die Batterie annehmen wird, wenn ein definiertes Entladeprofil bzw. eine definierte Entladungsart angewandt wird. Als Entladungsarten kommen bei- spielsweise eine Entladung mit konstantem Strom, eine Entladung über konstan- ten Widerstand oder eine Entladung mit konstanter Leistung infrage.
Alternativ hierzu ist es möglich, mit dem gemessenen Innenwiderstand der Batte- rie einen Kaltstartstrom zu berechnen und einen Schwellwert festzulegen, bei welchem die Batterie ausgetauscht werden sollte. Als Beispiel hierzu könnte der Schwellwert bei 50% des nominellen Kaltstartstroms sein.
Unter Kaltstartstrom, häufig auch Kälteprüfstrom genannt, wird der maximale Strom verstanden, den eine Batterie bei einer Temperatur von -18° C für 30 Se- kunden liefern kann, ehe die Batteriespannung zu niedrig ist. Nach der deutschen Industrienorm (DIN) wird eine vollgeladene 12V Batterie bei -18° C auf bis zu 6V entladen, sollte nach 30 Sekunden jedoch noch mindestens 9V haben und die Grenze von 6V erst nach 150 Sekunden erreichen. Nach der amerikanischen Norm (SAE) soll eine vollgeladene Batterie bei -18° C nach 30 Sekunden des Entladens noch mindestens 7,2 V haben. Bei der IEC (International Electrotechnical Commis- sion) soll die Batterie bei -18° C nach 60 Sekunden noch 8,4V haben. Zu guter Letzt soll bei der europäischen Norm (EN) die Entladezeit nach einer Entladung bei einer Schlussspannung von 7,5V minimal noch 10 Sekunden sein.
Die herkömmlichen Ansätze zum Abschätzen bzw. Vorhersagen einer entnehmba- ren Kapazität einer Batterie basieren jedoch auf der Annahme, dass die Batterien in einem vollständig geladenen Zustand (vollgeladen) betrieben werden. Die Randbedingung ist insbesondere bei Start-Stopp-Batterien in der Regel nicht mehr erreichbar, da diese Batterien in der Regel in einem teilgeladenen Zustand betrieben werden (typischerweise bei 70% bis 80%).
Darüber hinaus werden bei herkömmlichen Batterieprüfvorrichtungen nicht die Degradation der Batterie berücksichtigt. Unter dem Begriff„Degradation" ist die Abnahme der Kapazität einer Batterie mit der Zeit auch bei sachgemäßer Nutzung zu verstehen, wobei diese Kapazitätsabnahme aufgrund von chemischen Reaktio- nen (Alterung) stattfindet. Zum einen kommt es durch die Lade- und Entladevor- gänge an den Elektroden einer Batterie zu (nur teilweise reversiblen) elektroche- mischen Vorgängen, die eine vollständige Aufladung oder Entladung behindern. Hierzu gehören bei Blei-Akkumulatoren die Sulfatierung, bei Batterien auf Nickel- technologie beispielsweise Batterieträgheitseffekte und bei Batterien auf Lithium- chemie Elektrodenalterung durch unumkehrbare Parasitäre chemische Reaktionen (kalendarische Lebensdauer).
Entsprechende Abnutzung des Akkumulators sind im Verlauf der Nutzung die La- dekapazität und damit auch die Energiedichte.
Durch den zunehmenden Trend der Verwendung von sogenannten Start-Stopp- Systemen bzw. Start-Stopp-Automatik, sind die oben diskutierten Nachteile bei bekannten Systemen zum Abschätzen der Batteriekapazität nicht mehr hinnehm- bar. Dies liegt insbesondere daran, dass bei Start-Stopp-Systemen zur Reduzie- rung des Kraftstoffverbrauches in Standphasen (z. B. bei einem Ampelstopp) der Motor im Stand unter bestimmten Bedingungen abschaltet und ihn wieder auto- matisch startet. Diese Start-Stopp-Systeme erfordern somit besondere Bedingun- gen an die Start-Stopp-Batterien.
Eine Start-Stopp-Batterie übernimmt fast die gleichen Aufgaben und Funktionen wie eine reguläre Autobatterie, muss aber noch deutlich mehr leisten, da die Start-Stopp-Automatik ein permanentes An- und Abschalten des Verbrennungs- motors verursacht, was der Batterie ein Höchstmaß an Leistung abverlangt. Von daher ist ersichtlich, dass für ein einwandfreies Funktionieren der Start-Stopp-Au- tomatik eine hinreichend funktionsfähige Batterie verlangt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optimiertes Diagnose und Analysetool anzugeben, um einen möglichen Batteriedefekt schnell und zu- verlässig insbesondere auch für Start-Stopp-Batterien Vorhersagen zu können.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des nebengeordneten Patentanspruchs 1 gelöst.
Demgemäß wird erfindungsgemäß insbesondere ein Verfahren zum Abschätzen ei- nes Zustandes eines elektrischen Energiespeichersystems, insbesondere einer Kraftfahrzeug-Starterbatterie, angegeben, wobei hierzu zunächst ein Innenwider- stand und/oder eine Impedanz des Energiespeichersystems und/oder eine mit dem Innenwiderstand oder der Impedanz des Energiespeichersystems koordinie- rende Größe ermittelt wird. Anschließend wird der ermittelte Innenwiderstand bzw. die ermittelte Impedanz des Energiespeichersystems im Hinblick auf eine verbleibende Kapazität des Energiespeichersystems ausgewertet, und zwar unter Berücksichtigung einer alterungsbedingten Abnahme einer maximal verfügbaren Kapazität des Energiespeichersystems.
Unter dem hierin verwendeten Begriff„Innenwiderstand" ist der Ausgangswider- stand oder Quellwiderstand zu verstehen, der den Ausgang des elektrischen Ener- giespeichersystems bei Belastungsänderung charakterisiert. Der Begriff„Impe- danz" bezeichnet den Wechselstromwiderstand des Energiespeichersystems, wel- cher ebenfalls mit dem Ausgang des elektrischen Energiespeichersystems bei Be- lastungsänderung koordiniert.
Gemäß Ausführungsformen ist es denkbar, wenn zum Ermitteln des Innenwider- standes bzw. der Impedanz des Energiespeichersystems dieser/diese indirekt be- stimmt wird, und zwar indem eine Ausgangsspannung des Energiespeichersys- tems im Leerlauf und anschließend mit einer vorab festgelegten oder festlegbaren bekannten und insbesondere wechselnden Last gemessen wird.
Alternativ oder zusätzlich hierzu ist es denkbar, dass eine Ausgangsspannung des Energiespeichersystems im Leerlauf und ein Laststrom bei einer vorab festgeleg- ten oder festlegbaren bekannten und insbesondere wechselnden Last gemessen werden.
Wenn beispielsweise das Energiespeichersystem mit der Leerlaufspannung
U0= 12V bei Anschluss eines 0,5Q-Widerstandes nur noch UK= 10V abgibt, beträgt der innere Spannungsabfall 2V und folglich liegt der Innenwiderstand bei etwa 0,1W. Der Innenwiderstand kann sich als Funktion des Ladezustandes ändern und ist die Summe des Widerstandes der Bleiplatten (bei einer Starterbatterie), deren Grenzschichten und des Elektrolyten (Säurefüllung).
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abschätzen eines Zustandes des elektrischen Energiespeichersystems wird zur Auswertung des ermittelten Innenwiderstandes ein Ladezustand des Energiespeichersystems ermittelt. Der Ladezustand (englisch : state of Charge, SoC) ist ein wichtiger Kenn- wert des Energiespeichersystems. Er wird üblicherweise in Prozentwerten angege- ben, wobei 100% einen vollständig geladenen Akkumulator repräsentiert. Einhun- dert Prozent minus dem Wert des Ladezustandes ergibt den Entladungsgrad (DoD). Zur Bestimmung des Ladezustandes des Energiespeichersystems können verschiedene Methoden verwendet werden, wobei hierbei als Beispiel chemische, spannungsabhängige, stromintegrative (Ladungsbilanzierung), druckabhängige Methoden sowie die Messung der Akkumulator-Impedanz genannt seien.
Gemäß Realisierungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Auswertung des ermittelten Innenwiderstandes ein Kennlinienfeld herangezogen, wobei das Kennlinienfeld mehrere Kennlinien in Abhängigkeit von einem dem Ladezustand des Energiespeichersystems indikativen Parameter, in Form mehrerer Kennlinien oder in einem dreidimensionalen Koordinatensystem darstellt.
Unter dem hierin verwendeten Begriff„Kennlinie" ist insbesondere die grafische Darstellung von zwei voneinander abhängigen physikalischen Größen zu verste- hen, die für den Zustand des elektrischen Energiespeichersystems kennzeichnend sind. Die Kennlinien werden als Linien in einem zweidimensionalen Koordinaten- system dargestellt.
Ein„Kennlinienfeld" im Sinne der vorliegenden Offenbarung stellt mehrere Kennli- nien in Abhängigkeit von weiteren Eingangsgrößen (Parameter) in Form mehrerer Kennlinien oder in einem dreidimensionalen Koordinatensystem dar. Die Kennli- nien und Kennlinienfelder können durch mathematische Funktionen angenähert werden, um sie analytisch darstellen zu können. So können sie beispielsweise durch Interpolation und Regression aus Messwerten ermittelt werden.
Insbesondere sind die Kennlinien des Kennlinienfeldes vorab ermittelt, vorzugs- weise indem für Mustersysteme, deren verbleibende Kapazität bekannt ist, und die sich im Hinblick auf deren verbleibende Kapazität unterscheiden, ein Verlauf des Innenwiderstandes bei verschiedenen Ladezuständen ermittelt wird.
Gemäß Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens stellen die Kennli- nien des Kennlinienfeldes abgeschätzte, angenäherte und/oder berechnete Werte einer verbleibenden Kapazität des Energiespeichersystems bei unterschiedlichen Werten des Innenwiderstandes und bei unterschiedlichen Ladezuständen des Energiespeichersystems dar.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht insbesondere ein reproduzierbares und genaues Abschätzen einer verbleibenden Kapazität des Energiespeichersys- tems. Damit ist es möglich, für vorab festlegbare Zeiten im Voraus sicher vorher- zusagen, ob beispielsweise das Energiespeichersystem zuverlässig als Energie- quelle für eine Start-Stopp-Funktion eines Fahrzeuges oder als Energiequelle für ein Start-Stopp-System zur Verfügung steht. Ein solches Start-Stopp-System ist ein automatisch arbeitendes System zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs in Standphasen (z. B. bei einem Ampelstopp) von Kraftfahrzeugen, somit besonders im Stadtverkehr.
Diese Vorhersage kann beispielsweis durch einen Vergleich der abgeschätzten verbleibenden Kapazität mit mindestens einem vorab festgelegten oder festlegba- ren Schwellwert erfolgen.
Die Erfindung betrifft ferner ein System zum Ermitteln einer verbleibenden Kapa- zität eines insbesondere in Gestalt einer Kraftfahrzeug-Starterbatterie ausgeführ- ten elektrischen Energiespeichersystems, wobei das System ausgebildet ist, an- hand eines insbesondere statischen Innenwiderstandes des Energiespeichersys- tems und unter Berücksichtigung einer alterungsbedingten Abnahme einer maxi- mal verfügbaren Kapazität des Energiespeichersystems die verbleibende Kapazität des Energiespeichersystems zu ermitteln.
Vorzugsweise weist hierzu das System eine Auswerteeinheit auf, welche ausgebil- det ist, um einen Innenwiderstand des Energiespeichersystems auszuwerten, wo- bei der Auswerteeinheit eine Speichereinheit zugeordnet ist, in welcher vorab ab- geschätzte, angenäherte, berechnete oder andersartig vorab bestimmte Werte ei- ner verbleibenden Kapazität des Energiespeichersystems bei unterschiedlichen Werten des Innenwiderstandes und bei unterschiedlichen Ladezuständen des Energiespeichersystems als Tabellenwerte und/oder als mindestens eine analyti sche Funktion gespeichert sind.
Der Innenwiderstand des Energiespeichersystems kann entweder von dem System (indirekt) ermittelt werden. Alternativ oder zusätzlich hierzu ist es denkbar, wenn das System eine Schnittstelle aufweist zum Eingeben eines ermittelten Innenwi- derstandes des Energiespeichersystems.
Alternativ oder zusätzlich hierzu ist es denkbar, wenn das System eine Einheit zum Ermitteln eines Ladezustandes des Energiespeichersystems aufweist bezie- hungsweise wenn dem System eine entsprechende Einheit zum Ermitteln eines Ladezustandes des Energiespeichersystems zugeordnet ist. Auch hierbei ist es denkbar, wenn das System eine Schnittstelle aufweist zum Eingeben eines ermit- telten Ladezustandes des Energiespeichersystems.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen eine exemplarische Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens näher be- schrieben.
Es zeigen :
FIG. 1 ein Ablaufdiagramm einer exemplarischen Ausführungsform des erfin- dungsgemäßen Verfahrens; und
FIG. 2 ein Beispiel eines Kennlinienfeldes zum Abschätzen eines Zustandes ei- nes elektrischen Energiespeichersystems.
Zur Zeit existieren Batterieprüfgeräte, welche Vorhersagen, ob eine Batterie er- folgreich den Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges starten kann. Hierzu wird in der Regel der Innenwiderstand der Batterie oder dessen Leitwert ermittelt. Ba- sierend hierauf kann eine Ausgangsspannung der Batterie berechnet werden, wel- che vorliegen wird, wenn ein bestimmtes Stromprofil angewandt wird.
Gemäß einem anderen Ansatz wird mit dem ermittelten Innenwiderstand der Bat- terie ein Kaltstartstrom (Englisch : cold crank current - CCA) berechnet und es wird ein Schwellwert festgelegt, bei dessen Unterschreitung die Batterie als nicht mehr ausreichend zum Starten des Verbrennungsmotors angesehen wird. Dieser Schwellwert kann beispielsweise bei 50% des nominellen Kaltstartstroms liegen. Unter den hierin verwendeten Begriff„Kaltstartstrom" wird der maximale Strom verstanden, den ein Akku oder eine Batterie bei einer Temperatur von -18°C für 30 Sekunden liefern kann, ehe die Batteriespannung zu niedrig ist.
Diese bisher angewandten Ansätze durch Vorhersage des Leistungsvermögens ei- ner Batterie gehen grundsätzlich von einem 100%igen Ladezustand der Batterie aus (SoC= 100%). Mit anderen Worten, bei den bisher verwendeten Ansätzen zum Vorhersagen des Leistungsvermögens einer Batterie wird grundsätzlich von einem vollständig geladenen Akkumulator ausgegangen. Hierbei wird jedoch nicht be- rücksichtigt, dass die maximal verfügbare Kapazität der Batterie alterungsbedingt abnimmt.
Andererseits ist es aufgrund der stetigen Zunahme der Start-Stopp-Technologie notwendig, besonders zuverlässig den Zustand eines elektrischen Energiespei- chersystems abschätzen zu können. Hierbei ist aber zu berücksichtigen, dass so- genannte Start-Stopp-Batterien in der Regel nicht in einem vollständig geladenen Zustand betrieben werden. Vielmehr liegt der Ladezustand in der Regel nicht hö- her als 70% bis 80%. Von daher ist es notwendig, sicherzustellen, dass die Batte- rie diesen teilgeladenen Zustand (partial state of Charge - PSoC) möglichst stabil hält, wobei ferner dieser teilgeladene Zustand auch bei dem Abschätzen der ver- bleibenden Kapazität des Energiespeichersystems berücksichtigt wird. Aufgrund der alterungsbedingten Abnahme der maximal verfügbaren Kapazität tritt jedoch eine Abweichung zwischen dem Ladezustand der Batterie einerseits und der ver- bleibenden Kapazität des Energiespeichersystems andererseits auf.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren soll der Zustand des elektrischen Energie- speichersystems und insbesondere die verbleibende Kapazität des Energiespei- chersystems zuverlässiger vorhergesagt werden können.
FIG. 1 ist schematisch ein Ablaufdiagramm einer exemplarischen Ausführungs- form des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In einem ersten Schritt (Schritt Sl) wird der Innenwiderstand des Energiespeichersystems in herkömmli- cher Weise ermittelt. Anschließend (Schritt S2) wird der Ladezustand des Energie- speichersystems ermittelt, wobei hierzu beispielsweise die Impedanz des Energie- speichersystems gemessen wird. io
In dem dann folgenden Verfahrensschritt (Schritt S3) werden der ermittelte In- nenwiderstand sowie der ermittelte Ladezustand des Energiespeichersystems mit Hilfe eines Kennlinienfeldes ausgewertet, und zwar im Hinblick auf eine verblei- bende Kapazität des Energiespeichersystems. Anschließend wird die abgeschätzte verbleibende Kapazität des Energiespeichersystems ausgegeben (Schritt S4).
Alternativ oder zusätzlich hierzu wird eine verbleibende Kapazität des Energie- speichersystems abgeschätzt und die abgeschätzte verbleibende Kapazität mit mindestens einem vorab festgelegten oder festlegbaren Schwellwert verglichen, wobei das Ergebnis dieses Vergleiches eine Aussage liefert, wie lange noch und inwiefern, d.h. in welchem Umfang das Energiespeichersystem zuverlässig als Energiequelle für ein Start-Stopp-System zur Verfügung steht (Schritt S5).
In FIG. 2 ist ein exemplarisches Kennlinienfeld für die Auswertung der verbleiben- den Kapazität des Energiespeichersystems in Abhängigkeit von dem ermittelten Innenwiderstand (Ordinatenachse) einerseits und in Abhängigkeit von dem ermit- telten Ladezustand des Energiespeichersystems (Abszissenachse) andererseits dargestellt.
Im Einzelnen zeigt die untere Kennlinie des in FIG. 2 gezeigten Kennlinienfeldes eine verbleibende Kapazität von 100% des Energiespeichersystems an. Diese Kennlinie repräsentiert eine neue (fabrikneue) Batterie.
Weitere Kennlinien für eine bleibende Kapazität von 80%, eine verbleibende Ka- pazität für 70% sowie für eine verbleibende Kapazität von 60% sind ebenfalls in dem Kennlinienfeld gemäß FIG. 2 dargestellt.
Die Kennlinien des Kennlinienfeldes sind zuvor anhand Muster-Batterien aufge- nommen, deren verbleibende Kapazität bekannt sind.
Die Erfindung ist nicht auf das in den Zeichnungen exemplarisch dargestellte Ver- fahren beschränkt, sondern ergibt sich aus einer Zusammenschau sämtlicher hie- rin offenbarter Merkmale.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Abschätzen eines Zustandes eines elektrischen
Energiespeichersystems, insbesondere einer Kraftfahrzeug-Starterbatterie, wobei hierzu ein Innenwiderstand und/oder eine Impedanz des
Energiespeichersystems und/oder eine mit dem Innenwiderstand oder der Impedanz des Energiespeichersystems koordinierende Größe ermittelt und unter Berücksichtigung einer alterungsbedingten Abnahme einer maximal verfügbaren Kapazität des Energiespeichersystems im Hinblick auf eine verbleibende Kapazität des Energiespeichersystems ausgewertet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei zum Ermitteln des Innenwiderstandes und/oder der Impedanz des Energiespeichersystems dieser bzw. diese indirekt bestimmt wird, und zwar indem eine Ausgangsspannung des Energiespeichersystems im Leerlauf und anschließend mit einer vorab festgelegten oder festlegbaren
bekannten und insbesondere wechselnden Last gemessen wird, und/oder indem eine Ausgangsspannung des Energiespeichersystems im Leerlauf und ein Laststrom bei einer vorab festgelegten oder festlegbaren
bekannten und insbesondere wechselnden Last gemessen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei zum Ermitteln des Innenwiderstandes und/oder der Impedanz des Energiespeichersystems dieser bzw. diese indirekt über eine
Leitwertmessung des Energiespeichersystems bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei zur Auswertung des ermittelten Innenwiderstandes bzw. der ermittelten Impedanz ein Ladezustand des Energiespeichersystems ermittelt wird, vorzugsweise mit einer chemischen, spannungsabhängigen, stromintegrativen bzw. ladungsbilanzierenden und/oder durchabhängigen Methode und/oder durch Messung einer Impedanz des
Energiespeichersystems.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei zur Auswertung des ermittelten Innenwiderstandes und/oder der ermittelten Impedanz ein Kennlinienfeld herangezogen wird, wobei das Kennlinienfeld mehrere Kennlinien in Abhängigkeit von einem den
Ladezustand des Energiespeichersystems indikativen Parameter, in Form mehrerer Kennlinien oder in einem dreidimensionalen Koordinatensystem darstellt.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
wobei jede Kennlinie des Kennlinienfeldes einer verbleibenden Kapazität des Energiespeichersystems bei einem ermittelten Innenwiderstand und einem den Ladezustand des Energiespeichersystems indikativen Parameter entspricht.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6,
wobei die Kennlinien des Kennlinienfeldes vorab ermittelt wurden, vorzugsweise indem für Mustersysteme, deren verbleibende Kapazität bekannt ist, und die sich im Hinblick auf deren verbleibende Kapazität unterscheiden, ein Verlauf des Innenwiderstandes bei verschiedenen Ladezuständen ermittelt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
wobei die Kennlinien des Kennlinienfeldes abgeschätzte, angenäherte und/oder berechnete Werte einer verbleibenden Kapazität des
Energiespeichersystems bei unterschiedlichen Werten des
Innenwiderstandes und/oder der Impedanz und bei unterschiedlichen Ladezuständen des Energiespeichersystems darstellen.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
wobei die Kennlinien des Kennlinienfeldes zumindest teil- bzw.
bereichsweise durch mathematische Funktionen dargestellt oder angenähert sind; und/oder
wobei die Kennlinien des Kennlinienfeldes als Tabellenwerte oder als mindestens eine analytische Funktion gespeichert sind.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
wobei das Verfahren ferner den Schritt des Abschätzens einer
verbleibenden Kapazität des Energiespeichersystems und den Schritt des Vergleichens der abgeschätzten verbleibenden Kapazität mit mindestens einem vorab festgelegten oder festlegbaren Schwellwert aufweist, wobei der mindestens eine Schwellwert so gewählt ist, dass durch den Vergleich mit der abgeschätzten verbleibenden Kapazität eine über das
Energiespeichersystem mit elektrischer Energie versorgte Start-Stopp- Funktion vorhersagbar ist.
11. System zum Ermitteln einer verbleibenden Kapazität eines insbesondere in Gestalt einer Kraftfahrzeug-Starterbatterie ausgeführten elektrischen Energiespeichersystems, wobei das System ausgebildet ist, anhand eines Innenwiderstandes und/oder einer Impedanz des Energiespeichersystems und/oder einer mit dem Innenwiderstand oder der Impedanz des
Energiespeichersystems koordinierenden Größe und unter Berücksichtigung einer alterungsbedingten Abnahme einer maximal verfügbaren Kapazität des Energiespeichersystems die verbleibende Kapazität des
Energiespeichersystems zu ermitteln.
12. System nach Anspruch 11,
wobei das System eine Auswerteeinheit aufweist, zum Auswerten eines Innenwiderstandes des Energiespeichersystems, wobei der Auswerteeinheit eine Speichereinheit zugeordnet ist, in welcher vorab abgeschätzte, angenäherte, berechnete oder andersartig vorab bestimmte Werte einer verbleibenden Kapazität des Energiespeichersystems bei unterschiedlichen Werten des Innenwiderstandes und bei unterschiedlichen Ladezuständen des Energiespeichersystems als Tabellenwerte und/oder als mindestens eine analytische Funktion gespeichert sind.
13. System nach Anspruch 11 oder 12,
wobei dem System eine Einheit zum Ermitteln eines Innenwiderstandes des Energiespeichersystems zugeordnet ist, und/oder wobei das System eine Schnittstelle zum Eingeben eines ermittelten Innenwiderstandes des Energiespeichersystems aufweist.
14. System nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
wobei dem System eine Einheit zum Ermitteln eines Ladezustandes des Energiespeichersystems zugeordnet ist, und/oder, wobei das System eine Schnittstelle zum Eingeben eines ermittelten Ladezustandes des
Energiespeichersystems aufweist.
15. System nach einem der 11 bis 14,
wobei das System als Batterietestsystem insbesondere für eine als Start- Stopp-Batterie ausgeführte Batterie ausgebildet ist.
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