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.