Stand der Technik Bei elektrischen Energiespeichern wie Akkumulatoren ist die Vorhersage der verbleibenden Restlebensdauer bis zur Ge- bra-uchsunfähigkeit insbesondere bei Bleiakkus im Kfz von großer Bedeutung. Durch einen Narnhinweis an den Fahrzeug- betreiber vor einem bevorstehenden Batterieausfall kann die Batterie rechtzeitig getauscht'und damit'ein Liegenbleiben des Fahrzeugs oder der'Ausfall elektrisch betriebener ins- besondere sicherheitskritischer Verbraucher wie x-by-wire- Systeme vermieden werden. Ein zu frühzeitiger Batterie- tausch muss allerdings aus. Kostengründen vermieden werden.

Entscheidend sind. daher auf den jeweiligen Anwendungsfall zugeschnittene und möglichst exakt auswertbare Metriken für <BR> <BR> die Gebrauchstüchtigkeit mit parametrierbaren Schwellwerten für eine Batterietauschanzeige.

Aus der Literatur sind verschiedene Verfahren zur Ermitt- lung der Gebrauchstüchtigkeit (SOH = State of Health) von Energiespeichern insbesondere von Bleiakkus, wie sie im Kfz eingesetzt werden bekannt. Als Maß für den Alterungszustand der Batterie wird zum einen die Abnahme ihrer Speicherfä- higkeit gegenüber dem Neuzustand. herangezogen, die z. B. durch Monitoring der Betriebsbedingungen wie Ladüngsumsatz, . Tieientladephasen und Umgebungstemperatur abgeschätzt (US 6.103. 408) oder aus den Strom-u. Spannungsverläufen in ty- pischen, wiederkehrenden Belastungsfällen, (Motorstart) er- mittelt wird. Zum anderen wird als Alterungsmaß auch die Abnahme der Leistungsfähigkeit durch Beobachtung des Span- <BR> <BR> nu. gseinbruchs beim Motorstart (DE 19750309) oder des tem- <BR> <BR> <BR> <BR> peratur-und ladezustandskompensierten dynamischen InnenTN - derstands (DE 3712629C2, DE 10049495A) über der Batteriele- bensdauer verwendet.

Die aktuelle Gebrauchstüchtigkeit des Energiespeichers wird also entweder anhand der aktuellen Speicherfähigkeit oder der Leistungsfähigkeit bezogen auf den Motorstart bewertet.

Genauere auf unterschiedliche auch kombinierte Anwendungs- fälle (Motorstart, Elektro-/Hybridfahrzeug, Versorgung si- cherheitskritischer elektrischer Verbraucher,...) appli- zierbare Kriterien'für die Gebrauchstüchtigkeit werden in der Literatur nicht angegeben und ausgewertet. Auch eine Vorhersage der noch verbleibenden Lebensdauer findet nicht statt.

Aufgabe der Erfindung.

Die Erfindung ermittelt durch Extrapolation mit Hilfe eines mathematischen Modells des Energiespeichers insbesondere einer Kfz-Bleibatterie (@.B. DE-P10307923, DE-P10303506), die noch verbleibende Lebensdauer, bis eine beliebig vorgebbare Mindestleistungs-und/oder.-speicherfähigkeit bei gegebenen Randbedingungen für Ladezustand und Temperatur unterschrit- ten wird. Die verbleibende Lebensdauer und eine Warnung bei Unterschreitung eines, vorgegebenen Schwellwerts werden dem Fahrzeugführer angezeigt.

Vorteile, der Erfindung Die Erfindung überwindet die im-Stand der Technik. beschrie- benen Nachteile der bekannten Verfahren zur Bestimmung der Gebrauchstüchtigkeit eines Energiespeichers mit Hilfe eines Modells des Energiespeichers, dessen Parameter über der Le- bensdauer kontinuierlich an'd'ie realen Werte adaptiert wer- den., Aus den in regelmäßigen Zeitabständen anhand des Mo- dells berechneten und gespeicherten Werten der.'auf einen vorgegebenen Ladezustand (z. B. volladung) und Temperatu, r -(z. B'. Saltstarttemperatur-185C) bezogenen Leistungs- und/oder Speicherfähigkeit und den für den jeweiligen An- wendungsfall geforderten Mindestwerten wird die zu erwar- tende Restlebensdauer durch Extrapolation bestimmt.

Die Vorteile gegenüber dem Stand der Technik sind im ein- zelnen : - Verwendung eines mathematischen Modells mit selbsttätiger' Anpassung an den verwendeten Energiespeicher durch konti-@ nuierliche Adaption der Parameter des Energiespeichermo- dells (z. B. wichtig nach Batteriewechsel im Kfz-> keine Kennfelder für Alterungsverhalten der eingesetzten Batte- rie erforderlich)-> genauere Bestimmung der Gebrauchs- tüchtigkeit und der Restlebensdauer-> Verringerung der Gefahr eines zu frühen bzw. zu späten Batterietauschs <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> auf den jeweiligen Anwendungsfall zugeschnittene einfach parametrierbare Metriken für die Gebrauchstüchtigkeit des.

Energiespeichers bzgl. Speicher-und/oder Leistungsfähig- keit-> einfach an unterschiedliche Anwendungsfälle ap- plizie'rbar Ermittlung der noch verbleibenden Lebensdauer durch Ext-, rapolation der Zeitverläufe der berechneten. auf einen be- ! stimmen Lädezustand und Temperatur bezogenen Speicher- und/oder Leistungsfähigkeit-> rechtzeitige Warnung bei schneller Abnahme von Speicher- und/oder Leistungsfähig- keit auch wenn deren Absolutwerte aktuell noch ausrei- chend hoch sind - > z. B. wird bereits im Sommer eine unter Winterbedingun- gen nicht mehr kaltstartfähige Batterie'erkannt und kann so rechtzeitig getauscht werden.

Beschreibung/Realisierung Bild 1 zeigt die grundsätzliche Struktur des Verfahrens. Es teilt sich in 3 Stufen auf. Zunächst werden in der ersten Stufe die im Vektor.. ? zusammengefassten Parameter des ma- thematischen Energiespeicher-Modells mittels eines Parame- terschätzers (z. B.. Kalman-Filter nach R. 304628) durch kon- tinuierliche Messung der Betriebsgrößen Batteriestrom TBatt, - spannung UBatt und -temperatur TBatt adaptiert. Bei einer Bleibatterie enthält p z. B. Größen wie ohmscher Innenwider- stand, Kapazität u. Diffusionswiderstand. Wichtig ist, dass diese Größen auf eine vorgegebene Temperatur, (z. B. 25°C) und Ladezustand (Volladung) normiert sind, d. h. diese sich bei gegebener Batterie nur aufgrund von Alterungseinflüssen ändern.,", Mit den Batterieparametern p wird. in der zweiten Stufe das im Spannungs- u. Ladungsprädiktor verwendete mathematische Batteriemodell initialisiert. Der Spannungsprädiktor lie- <BR> <BR> 'fert die aktuelle Leistungsfähigkeit der. Batterie,. indem er mit Hilfe des Batteriemodells die. Spannungsantworten UBatt, pred1,2,... auf gegebene Laststromprofile IBattU1,2,... unter gegebenen'Randbedingungen für die Batteriezustandsgrößen ZU1,2,... und -temperaturen TBattU1,2,... prädiziert (vgl. DE-P 10301823. Der Vektor ZU1, 2,... der vorzugebenden Batteriezu- standsgrößen des Batteriemodells enthält bei einer Bleibat- terie z. B. Größen 1 wie Ruhespannung, Konzentrations- u.

Durchtrittspolarisation. IBattU1,2,..., ZU1,2,... und TBattU1,2,... sind abhängig vom Anwendungsbereich des Energiespeichers vorzugeben. Z. B. wären bei einer Starterbatterie für iBaitu das-vom Anlasser bei der Kaltstarttemperatur TBBttu="18°C ge- forderte Stromprofil mit Zn entsprechend einer vollgeladenen Batterie sinnvolle Vorgaben.

Der Ladungsprädiktor liefert die aktuelle Speicherfähigkeit der Batterie, indem er mit Hilfe des Batteriemodells die entnehmbaren Ladungen Qe, pred1,2,... für die Entladeströme und 2,... und raturen TBattQe1,2,... ausgehend von den vor- gegebenen Batteriezuständen. ZQe1,2,... berechnet bis die Batte- riespannung die vorgegebenen Werte UBattQl, 2,... unterschreitet (DE-P10301823). Z.B. liefert der Ladungsprädiktor bei Vor- gabe von IBattQe=I20=K20/20h, TBattQe=27°C, UBattQe=10.5V, ZQe= entsprechend Volladung, die aktuell unter Nennbedingungen entnehmbare Ladung, einer Starterbatterie der Nennkapazität-K20.

Mit dem Ladungsprädiktor können auch'kombinierte Aniorde- rungen an den Energiespeicher bzgl. Speicher-und Leis- tungsfähigkeit ausgewertet werden. Dazu wird das Entlade-, stromprofil iBattQe um ein Lastromprofil entsprechend den zur Spannungsprädiktion verwendeten erweitert und für UBattQ die minimal erlaubte Batteriespannung bei Belastung mit dem vorgegebenen Laststromprofil eingesetzt (s. DE-P10301823). Bei<BR> <BR> <BR> einer Starterbatterie kann so z. B. berechnet werden, wie groß die Ladungsreserve bei Volladung, vorgegebenem Entla- destrom und Temperatur bis zur Startfähigkeitsgrenze ist.

In Stufe. III werden die Zeitverläufe der von Spannungs-u.

Ladungsprädiktor berechneten Spannungen UBatt, pred1,2,... und entnehmbaren Ladungen Qe, prLdl, 2,.., gespeichert und die Zeit- dauer tRest bis mindestens eine dieser, Größen ihren zugehöri- gen vorgegebenen Minimalwert UBattmin1,2,... bzw. Qemin1,2,... un- terschreiten durch Extrapolation berechnet (s. Bild 2).

Die vorgegebenen Minimalwerte UBattmin1,2,... bzw. Qemin1,2,... kennzeichnen die Grenze zur Gebrauchsunfähigkeit der Batte-. rie. bezüglich der jeweiligen Anforderungen an ihre Spei- cher-und/oder Leistungsfähigkeit.

Die Extrapolation kinn im einfachsten Fall linear aus den letzten 2 zu den Zeitpunkten ta, tb gespeicherten Zeit- Spannungs-bzw. Zeit-Ladungswertepaaren durchgeführt wer- den : tRest, U = (tb-ta) * (UBattmin-UBatt, pradb) / (UBatt,pradb-UBatt, preda) bzw. tRest, Q = (tb-ta) * (Qemin-Qe, predb) / (Qe,predb-Qe, preda) Bei mehreren Vorgaben für Speicher- und/oder Leistungsfä- higkeit-wird die resultierende Restlebensdauer tuent durch Minimumbildung der einzelnen tRest, U1,2,...- und tRest, Q1,2,...-Werte bestimmt : tuest min min (tRestU1, tRestU2, ..., tRestQ1, tRestQ2, ...) Zur genaueren Ermittlung der Restlebensdauer tuest kann die Extrapolation auch mit mehr als'2 Zeit-Spannungs-bzw.

Zeit-Ladungswertepaaren und aufwendigeren Verfahren wie li- nearer Regression oder bei nichtlinearen Verläufen mittels, Polynome oder auf neuronalen Netzen basierenden Methoden (RBF) durchgeführt werden. Weiterhin können aus bereits ge- messenen und damit bekannten Verläufen von Speicher-bzw.

Leistungsfähigkeit über der Batterielebensdauer Extrapola- tionsvorschriften abgeleitet werden.

Bei Unterschreitung eines, vorgegebenen Mindestwerts tRest, min der Restlebensdauer wird ein optisches und/oder akustisches Warnsignal an den Fahrer ausgegeben, das zum Batterietausch auffordert.

Um bei flach abfallenden oder gar ansteigenden Zeitverläu- fen der prädizierten Spannung oder entnehmbaren Ladung, die nahe an den vorgegebenen Minimalwerten liegen, eine zu spä- te Batterietauschwarnung zu vermeiden, wird als zusätzli- ches Tauschkriterium die Unterschreitung eines vorgegebenen ; Mindestabstands zwischen aktueller prädizierter Spannung bzw. entnehmbarer Ladung'und dem zugehörigen Minimalwert ergänzt : Warnsignal = (tRest < tRest, min) oder...

(UBatt, peal, 2,...-UBattmin1,2,...) < #UBattmin1,2,... oder ..

(Qe,pred1,2,...-Qemin1,2,...) < #Qemin1,2,...