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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Systeme und Verfahren zum Messen, Schätzen oder anderweitigen Bestimmen des Lebensalters einer Batterie und insbesondere auf ein verbessertes Verfahren zum Schätzen eines Lebensalters einschließlich der Schritte Speichern eines Datenblocks (engl. data bucket) von Augenblicks-Ladungs- oder Entladungspunken, Mitteln der Punkte, Bestimmen eines Parameters, der auf einer Rate einer Änderung in den gemittelten Punkten basiert, und Vergleichen des Parameters mit einem Skalar oder einer Datenbank.
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2. Diskussion des Stands der Technik
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Oft möchte man das Lebensalter (im Folgenden hierin auch als ”Alter” bezeichnet) bestimmen, um so die verbleibende Lebensdauer (d. h. die verbleibende Nutzungsdauer) einer Batterie im Einsatz vorherzusagen; und bei bestimmten Anwendungen wie z. B. einem Lebenszeichen überwachenden Gerät oder einem ferngesteuerten Fahrzeugbetrieb kann dies entscheidend sein. Bezüglich einer kraftfahrzeugtechnischen Nutzung wird z. B. die Batterie als das Herz des elektrischen Systems beschrieben und weist typischerweise eine herkömmliche, Bleisäure-, AGM- oder Hybrid-Sekundärzellenausführung (d. h. wieder aufladbar) auf.
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Dem Fachmann ist sehr bekannt, dass, wenn eine Batterie ihre Nutzungsdauer überschritten hat, sie trotz einer Verbindung mit einem voll funktionierenden Ladesystem Ladung nicht mehr halten kann. Dies macht die wesentliche Bedeutung, ein genaues und zuverlässiges Mittel zum Bestimmen des Batterielebensalters zu schaffen, leicht offenkundig. Unglücklicherweise ist das Herstelldatum einer Batterie kein Maß für eine einfache Bestimmung ihrer Lebensdauer. Zum Beispiel weiß man auch, dass ein Batteriealter vom Grad einer täglichen Entladung, die sie erfährt, abhängt. Das heißt, eine Batterie, die eine durchschnittliche tägliche Entladung von 10 Prozent durchmacht, kann eine Lebensdauer aufweisen, die fünfmal so lang ist wie eine täglich zu 50 Prozent entladene.
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Herkömmlicherweise waren Batterieprüfungen bezüglich des Alters oder einer Brauchbarkeit früher damit verbunden, dass ein Techniker ein Voltmeter nutzte, um mehrere Tests einschließlich eines Ladezustandes- und/oder Batteriekapazitätsladetests durchzuführen. Neuere Mittel zum Schätzen eines Batteriealters (auch bekannt als Lebensalter oder State-of Health (SOH)) sind innerhalb eines Moduls mit Batteriezustandsschätzeinrichtung (”BSE”) enthalten. Mit diesen Modulen programmierbar ausgestattete Controller sind dafür ausgelegt, Sensordaten mit hohen Raten abzufragen und anschließend Batterieparameter zu extrahieren, indem Modellregressions/Fitting-Techniken genutzt werden oder bekannte Endpunkte und angenommene/interpolierte Trends zwischen Endpunkten des Alters genommen werden. Zusätzlich zum Batteriealter bestimmen diese Module ständig andere Bedingungen einschließlich, ob und in welchem Maße die Batterie wieder auflädt. Schließlich können die Parameter angefordert und/oder unabhängig bestimmt werden, um Information an einen anderen Knoten innerhalb eines Kommunikationsnetzwerkes oder einen Bediener zu liefern.
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Der Fachmann versteht auch, dass ein extrahierbarer Parameter, ein ”Hochfrequenz”-Widerstand (z. B. intern 100 Millisekunden), einen starken, deutlichen Trend mit dem Batteriealter zeigt und daher genutzt werden kann, um dieses zu bestimmen. Aus dem Wert des rückentwickelten bzw. zurückgerechneten Widerstandes und anderen bekannten Größen wie z. B. in einer kraftfahrzeugtechnischen Anwendung der Leistungsanforderung, um den Motor anzulassen, kann konkreter der interessierte Knoten oder Bediener das Alter der Batterie erkennen und daher die verbleibende Lebensdauer vorhersagen. Man versteht ferner, dass für alle chemischen Ausführungen von Batterien bis heute gilt, dass je höher die Frequenz ist, desto stärker der Trend bezüglich eines zunehmenden Batteriealters ist. In einer herkömmlichen BSE-Methodik wurde daher unter den augenblicklichsten bzw. Augenblicksanforderungen (d. h. hohe Strom/Leistungsanforderungen über sehr kurze Perioden), welche typischerweise auftreten, wenn ein Fahrzeug z. B. angelassen wird, der höchstmögliche Frequenzwiderstand (Gleichstromwiderstand) herausgeholt.
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Ein Umstand, der sich zeigt, wenn herkömmliche BSE-Module genutzt werden, ist jedoch, dass sie typischerweise eine Alles-oder-Nichts-Funktionalität aufweisen. Das heißt, ihre aktuellen Algorithmen sind mit einer umfangreicheren Datenabfrage und -berechnung verbunden als notwendig ist, um nur die Daten zu extrahieren, die benötigt werden, um z. B. das Batteriealter zu bestimmen. Von weiterem Belang ist, dass diese Module auch dafür ausgelegt sind, Eingangssignale zu manipulieren, um die Zuverlässigkeit zu verbessern, was sie für Anwendungen, die nur eine Information über das Batteriealter erfordern, übermäßig kompliziert macht. Somit folgt, dass diese Module ein ineffizientes Mittel zum Bestimmen allein eines Parameters wie z. B. des Batteriealters darstellen, was einen erhöhten Energieverbrauch, erhöhte Datenübertragungslast und andere Betriebs/Netzwerkkosten zur Folge hat.
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Ein weiteres Verfahren nach dem Stand der Technik zum Durchführen einer unabhängigen Vorhersage der Batterielebensdauer ist mit einer direkten Messtechnik verbunden, die elektrochemische Impedanzspektroskopie (”EIS”) nutzt. Dieses Verfahren erfordert, dass ein kleines Eingangssignal bei einer vordefinierten Frequenz an die Batterie angelegt wird, und ermöglicht eine genaue Messung der Impedanzantwort. Dementsprechend erfordert jedoch diese Technologie, dass die Messeinrichtung während des Messprozesses stabil bleibt, so dass die Sensorkabel von induziertem elektromagnetischem Rauschem frei bleiben. Dies ist besonders bedeutsam in einem kraftfahrzeugtechnischen Rahmen aufgrund der Häufigkeit unebener und schlecht reparierter Straßen sowie unvermeidbarer, vom Fahrer verursachter Unregelmäßigkeiten (engl. eccentricities). In dieser Ausführung muss jedoch die abgefragte Batterie während einer Messung von Parallelimpedanzen getrennt sein. Von weiterem Belang bezüglich EIS-Systemen ist der Bedarf an zusätzlicher Hardware, um die notwendige Wellenform zu induzieren. Aus diesen und weiteren Gründen wurden EIS-Systeme nicht ohne weiteres implementiert und haben als solche nur eine geringe Marktdurchdringung erlangt.
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Da die Abhängigkeit der Gesellschaft von elektrischer Leistung zunimmt, gilt dies auch für den Bedarf an einer zuverlässigen Vorhersage der Batterielebensdauer. Dies ist besonders der Fall, wenn sie in Fahrzeugen verwendet wird, wo ein technischer Bedarf an einem effizienteren, jedoch genauen Verfahren zum Bestimmen des Lebensalters der Batterie besteht.
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US 2006/0 250 137 A1 offenbart ein Verfahren und ein System zum Vorhersagen der verbleibenden Lebensdauer einer Batterie, wobei die erwartete verbleibende Lebensdauer durch eine Extrapolation aus Werten ermittelt wird, welche unter Verwendung eines mathematischen Modells berechnet werden. Die Anpassung der Modellparameter erfolgt mittels eines Filters bei einer kontinuierlichen Messung der Batteriebetriebsparameter. Weiterer Stand der Technik ist aus
DE 101 06 505 A1 ,
WO 2007/048 367 A1 und
US 2005/0 001 627 A1 bekannt.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren und System zum Schätzen des Lebensalters einer Batterie zu schaffen.
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Zur Lösung der Aufgabe sind Verfahren mit den verfahrensgegenständlichen Merkmalen der Ansprüche 1 und 17 und ein System mit den systemgegenständlichen Merkmalen des Anspruchs 18 vorgesehen.
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Für eine zuverlässige Vorhersage der Batterielebensdauer betrifft die vorliegende Erfindung ein System und Verfahren zum Schätzen eines Lebensalters der Batterie unter Ausnutzung eines adaptiven Filteralgorithmus. Im Vergleich zum Stand der Technik, der BSE-Module einschließt, wird ein effizienterer Algorithmus präsentiert, der Berechnungszeit spart, robuster gegen Eingabedaten ist und eine weniger strikte Steuerung von Eingaben und Datenabtastraten erfordert. Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert nicht, dass ein Modell für die Batterie entwickelt wird, was es zwischen Anwendungen in kürzerer Zeit übertragbar macht. Der Algorithmus dient als Mehrfachfilter, wodurch der Bedarf an einer zusätzlichen Filterstruktur eliminiert wird. Da der Algorithmus volladaptiv ist, ist er unempfindlich gegen Fluktuationen und anwendbar für alle Batteriebetriebszustände einschließlich Temperatur und Ladungszustand. Schließlich liefert der erfindungsgemäße Algorithmus im Vergleich zu bestehenden BSE-Modulen signifikant reduzierte Anregungsschwellen in den Eingabedaten.
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Die Erfindung kann verwendet werden, um das Alter einer Batterie für jedes beliebige elektrische Gerät zu bestimmen, das diese Batterie mit hohen kurzzeitigen bzw. transienten (Strom- und/oder Leistungs-)Beanspruchungen während der Lebensdauer des Geräts nutzt. Die Erfindung ist ferner nützlich, um ein Verfahren zur Vorhersage der Batterielebensdauer zu liefern, dass minimalen Controller-Speicher (RAM & ROM) erfordert und herkömmliche Strom- und Spannungssensoren nutzt, so dass minimale Hardware-Zusätze und/oder Modifikationen notwendig sind. In einem kraftfahrzeugtechnischen Rahmen kann als solcher der erfindungsgemäße Algorithmus ohne weiteres in herkömmlichen Motoren mit 12 V-Blei-Anlasserbatterie oder mit jedem beliebigen Hybrid- oder Elektrofahrzeug implementiert werden, wofür die Batterielebensdauer vorhergesagt werden muss. Außerdem könnte die Ausgabe des neu vorgeschlagenen Algorithmus genutzt werden, um bestehende BSE-Module bei einer Berechnung von Vorhersagen des Ladungszustandes (SOC) und der Leistung sowie einer unabhängigen Vorhersage der Batterielebensdauer zu unterstützen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Erfindung dafür angepasst, das Lebensalter einer Sekundärzelle abzuschätzen, und schließt einen ersten Schritt ein, bei dem ein an die Zelle gelieferter Strom und Spannungsabfall über diese über eine Abtastperiode gleichzeitig erfasst bzw. abgefühlt werden, um synchronisierte Strom- und Spannungssignale zu erzeugen. Das Stromsignal wird bezüglich der Zeit analysiert, um eine Rate einer Stromänderung und ein Augenblicks-Ladungs- oder Entladungsereignis basierend auf der Rate einer Stromänderung zu bestimmen. Falls ein augenblickliches bzw. Augenblicksereignis bestimmt wird, wird ein korrelierendes Paar von Kandidaten-Strom- und Spannungsabfallwerten basierend auf den Strom- und Spannungssignalen bestimmt. Als nächstes werden mehrere vorher bestimmte Abtastdatenpunkte von gleichen Augenblicksereignissen innerhalb der Abtastperiode bestimmt, und das Paar wird als Abtastdatenpunkt gespeichert, falls die Anzahl vorher bestimmter Abtastdatenpunkte geringer als eine minimale Größe ist oder falls der Kandidaten-Stromwert größer als jeder der Stromwerte der vorher bestimmten Abtastdatenpunkte ist. Die Strom- und Spannungsabfallwerte der Abtastdatenpunkte werden gemittelt, wenn die Anzahl gespeicherter Punkte die minimale Größe für jedes der Augenblicks-Ladungs- und Entladungsereignisse erreicht, und die Änderung in den durchschnittlichen Stromwerten zwischen den Ladungs- und Entladungsereignissen, geteilt durch die Änderung in den durchschnittlichen Spannungsabfallwerten zwischen den Ladungs- und Entladungsereignissen, wird bestimmt, um so eine Steigung des Widerstands zu berechnen. Schließlich wird basierend auf der Steigung ein Lebensalter der Batterie bestimmt.
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Andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung einschließlich einer Betrachtung der Temperatur, die durch den weiteren Einschluss eines Temperatursensors ermöglicht wird, eine detaillierte Beschreibung der Verwendung von Datenblöcken zum zusätzlichen Filtern, ein Vergleich der Steigung mit einem kalibrierten Skalar oder einer relationalen Datenbank und beispielhafte Formeln zum Bestimmen des kalibrierten Skalars werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) und den beiliegenden Zeichnungsfiguren ersichtlich werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNG
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Eine bevorzugte Ausführungsform(en) der Erfindung wird im Folgenden mit Verweis auf die beigefügten Zeichnungsfiguren im Detail beschrieben, worin:
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1 eine perspektivische, insbesondere Strom-, Spannungsabfall- und Temperatursensoren (schematisch dargestellt), einen Controller und einen fahrzeuginternen Monitor veranschaulichende Ansicht eines Systems zur Abschätzung des Batteriealters gemäß einer bevorzugten, Ausführungsform der Erfindung ist, wie es für eine Sekundärzelle verwendet wird;
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2 ein Liniendiagramm Ampere gegen Zeit ist, das ein Beispiel von Augenblicks-Ladungs- und Entladungsereignisse (durchgezogene Linie) im Vergleich zu regelmäßig ladenden/entladenden Ereignissen (gestrichelte Linie) zeigt;
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3 ein Flussdiagramm eines nicht repetitiven Verfahrens zum Bestimmen eines Lebensalters der Batterie unter Verwendung eines adaptiven Gruppenfilteralgorithmus mit Ladungs- und Entladungsereignis-Datenblöcken gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
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4 eine graphische Darstellung und ein Liniendiagramm einer Menge bzw. eines Samples von Datenpunkten ist, die aus einem kompletten Batteriezyklus einer NiMH-Batteriebaugruppe mit 24 Modulen der Serie Cobasys 1000 bei einem Ladungszustand von ungefähr 80 Prozent und minus 30 Grad Celsius aufgenommen wurden; und
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5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Speichern eines Sample- bzw. Abtastdatenpunktes innerhalb eines von Ladungs- und Entladungsereignisblöcken gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System 10, das dafür ausgelegt ist, einen adaptiven Algorithmus zum effizienten Bestimmen des Lebensalters einer Batterie 12 auszuführen, die innerhalb einer vollständigen Schaltung aktiv ist. Insbesondere ist der Algorithmus dafür ausgelegt, die wahre Impedanz (d. h. den Widerstand) der Batterie 12 abzuschätzen. Der Algorithmus kann von zumindest einer elektronischen Steuerungseinheit oder einem Controller 14 wie z. B. der Haupt-CPU eines Fahrzeugs 16 oder einem damit abnehmbar verbindbaren Laptop ausgeführt werden und ist als solcher darin programmierbar eingegeben. Geeigneter Speicher, Source-Code und Verarbeitungstauglichkeit, die für eine Ausführung notwendig sind, sind durch den Fachmann Leicht bestimmbar und werden als solche hierin nicht diskutiert. Das System 10 und Verfahren zur Verwendung werden hierin bezüglich einer Verwendung mit einer Fahrzeugbatterie wie in 1 gezeigt beschrieben und veranschaulicht; man erkennt jedoch, dass die Nutzen und Vorteile der Erfindung bei anderen Einrichtungen wie z. B. Smart-Geräten, Laptops und anderen tragbaren elektronischen/digitalen Einrichtungen genutzt werden können, wo eine Kenntnis des Batteriealters wünschenswert ist. Insbesondere kann der erfindungsgemäße Algorithmus genutzt werden, um das Alter der Batterie für jedes beliebige elektrische Gerät abzuschätzen, das diese Batterie bei hohen kurzzeitigen bzw. transienten Strom- und/oder Leistungsanforderungen während der gesamten Gerätelebensdauer nutzt.
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I. Allgemeine Ausführungen und Funktion
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In 1 ist das System 10 dargestellt, das für eine Sekundärzelle (d. h. eine wieder aufladbare Batterie) 12 innerhalb eines Fahrzeugs 16 verwendet wird. Die Zelle 12 kann z. B. eine herkömmliche 12 V-PbA-(Blei-Anlasser-) oder 12 V-NiMH-(Hybrid-, Hochleistungs-)Batterie 12 sein, wie z. B. der Typ, der mit dem Fahrzeug 16 durch herkömmliche positive und negative Zuleitungskabel 18, 20 mit Messingklemmen verbindbar ist. Wie typisch weist die Batterie 12 einen positiven Endpol 12a, der mit (nicht dargestellten) positiven Elementen verbindet, die innerhalb eines (nicht dargestellten) innerhalb eines Gehäuses 12c gespeichert elektrolytischen Mediums angeordnet sind, und einen negativen Endpol 12b auf, der mit (ebenfalls nicht dargestellten) negativen Elementen verbindet, die ebenfalls innerhalb des Mediums angeordnet sind. Wenn ein vollständiger Schaltkreis zwischen den Endpolen 12a, b geschlossen ist, setzen die positiven Bleielemente Kationen in das Medium frei, und die negativen Elemente absorbieren dieselben daraus. Dieser Prozess ist bekannt als ”Entladen” der Batterie 12 und bildet ein ”Entladungsereignis”. Wenn umgekehrt das (nicht dargestellte) Ladesystem des Fahrzeugs 16, das den Generator einschließt, in Gebrauch ist, kehrt sich die Reaktion um, so dass die positiven und negativen Elemente und das elektrolytische Medium zu ihren ursprünglichen Zuständen zurückkehren. Genauer befreit der Generator während dieses ”Lade”-Prozesses oder ”Ladungsereignisses” die Batterie 12 auch von ihren Lasten, wodurch der Abzug reduziert wird. Schließlich ist ein ”Zyklus” der Batterie ein vollständiger Prozess, der sowohl Entladungs- als auch Ladungsereignisse durchläuft.
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Man erkennt, dass die meisten Fahrzeug-Controller Controller mit konstanter Festzeit sind; d. h. sie führen mit konstanten Zeitraten bzw. -schritten aus. Man erkennt jedoch auch, dass, wenn der Fahrer eine gewünschte Antwort an den Pedalen ändert, andere Systeme (z. B. Motor, Getriebe etc.) diese in zusätzliche veränderliche Leistungs- und/oder Stromanforderungen der Batterie oder Eingabe-Auslöseimpulse auflösen. Eine unabhängige kraftfahrzeugtechnische Funktion kann auch eine Leistungs- und/oder Stromanforderung oder Eingabe-Auslöseimpulse Variieren. Hybridfahrzeuge beispielsweise sind typischerweise dafür ausgelegt, Batteriegrenzen für Anlasserereignisse unabhängig zu lockern, um so zu ermöglichen, dass größere Größenordnungen an Leistung und Strom über kürzere Perioden während eines ”Vollumlaufs” (engl. turn-over) des Motors fließen. Überdies fügen Umgebungsbedingungen und Systemzustände ebenfalls Schwankungen den Anforderungen an die Batterie 12 hinzu.
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Bezüglich einer Abschätzung eines Lebensalters erkennt man, dass der reelle Teil der Batterieimpedanz (d. h. der Widerstand) der dominierende Trend bei kraftfahrzeugtechnischen Sekundärzellen während schneller Variationen eines Strombedarfs ist und bei 20 Hz und größeren Frequenzen von Eingabe-Auslöseimpulsen genau gemessen werden kann, da es kaum induktive Effekte eines Einflusses bei diesen Frequenzen gibt. Aus diesem Grund ist die vorliegende Erfindung zur Verwendung während der am schnellsten variierenden oder ”augenblicklichen” Änderungen des Bedarfs angepasst und präsentiert als solche vorzugsweise einen ereignisgesteuerten Algorithmus.
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Wie hierin verwendet soll der Ausdruck ”augenblickliche bzw. Augenblicksladung” ein schnelles Ladungsereignis mit einer verhältnismäßig geringen Zeitdauer und einer großen Strom-(oder Leistungs-)Stärke bedeuten, die an die Batterie angelegt wird, wobei Energie addiert wird. Desgleichen ist eine ”augenblickliche bzw. Augenblicksentladung” ein schnelles Entladungsereignis, wobei eine große Stromstärke von der Batterie in verhältnismäßig kurzer Zeitdauer abgezogen und Energie verloren wird. Beide werden durch zwei Bedingungen bestimmt, Länge und Größe einer Anwendung eines Signals oder Abzugs vom Fahrzeug 16. 2 ist ein Liniendiagramm in Ampere gegen Zeit eines kompletten Batteriezyklus, der ein Augenblicks-Ladungs- und ein Augenblicks-Entladungsereignis einschließt.
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In der vorliegenden Erfindung wird ein Schwellenverhältnis von Strom- (oder Leistung) über die Zeit genutzt, um ein augenblickliches bzw. Augenblicksereignis zu bestimmen, und variiert vorzugsweise gemäß der vorgesehenen Anwendung und dem Nutzen der Batterie. Man erkennt, dass die Schwelle für Augenblicklichkeit mit der Anwendung stark variieren kann. Falls z. B. ein Mobiltelefon mit Imax ~+/-5 A über 1 Sekunde abgetastet wird, gilt dann dI/dt = (5-(-5))/1 = 10; für eine Hybridwagenbatterie mit einem Imax ~+/-300 A, abgetastet über 0,1 Sekunden, gilt dann dI/dt = (300-(-300))/0,1 = 6000, wobei Imax das maximale zulässige Stromereignis ist, das das System von seiner Steuerungs-Hardware und Software während des Betriebs empfangen wird. in der veranschaulichten Ausführungsform wird somit ein bevorzugtes Verhältnis von 1000 Ampere/s und eher vorzugsweise 2000 Ampere/s als die Schwelle genutzt.
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Die Abtastrate wird vorzugsweise in einem konstanten Zeitschritt durchgeführt, um eine Bestimmung der Augenblicklichkeit zu vereinfachen. In dieser Ausführung muss der Controller nur ABS(I(t) – I(t – 1)) in Echtzeit beobachten; falls diese Delta-Größe eine vorher bestimmte Delta-I-Schwelle übersteigt, wird bestimmt, dass ein Augenblicksereignis vorliegt. Alternativ dazu kann Augenblicklichkeit subtil bestimmt werden basierend auf einer historischen Analyse von Ladungs- und Entladungsereignissen von einer bestimmten Batterie, wobei ein Perzentil (z. B. 90 Perzentil) von Ereignissen als augenblicklich erachtet wird.
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Zu 1 zurückkehrend nutzt der erfindungsgemäße Algorithmus mehrere Sensoren, die mit der Batterie 12 kommunizieren, einschließlich eines Stromsensors 22, Spannungssensors 24 und/oder Temperatursensors 26. Wie vorher erwähnt ist ein Vorteil der Erfindung ihre Verwendung mit herkömmlichen Sensoren, die bei bestehenden BSE-Modulen genutzt werden. Das System 10 kann einen Stromsensor 22 wie z. B. den Typ enthalten, der mit dem positiven Zuleitungskabel 18 nahe dem positiven Endpol 12a vorsichtig in Eingriff steht und in der Technik bekannt ist. Als solcher ist der Stromsensor 22 dafür ausgelegt, den von der Batterie fließenden Strom in Ampere (Amp) gemäß Elektronenflusstheorie zu messen. Der Batteriespannungssensor 24 kann von dem Typ mit zwei Zuleitungen sein, wobei der Spannungsabfall über die Batterie 12 (wie in 1 schematisch gezeigt ist) gemessen wird, und der Temperatursensor 26 kann ein Thermoelement sein, das an die Batterie oder Fahrzeugstruktur nahe der Batterie 12 angebracht ist. Die Sensoren 22–26 werden koordiniert, um im Wesentlichen synchrone Signale zu liefern, und sind jeweils von einem Typ mit einem geeigneten Bereich, um die erwartete Umgebung und Auflösung abzudecken, so dass ein Widerstand auf die erforderliche Anzahl von signifikanten Stellen genau geschätzt werden kann.
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Die Sensoren 22–26 können drahtlos wie z. B. über Funkübertragung verbunden sein oder durch feste Verdrahtung mit dem Controller 14 verbunden sein. Die Sensoren 22–26 sind dafür ausgelegt, periodisch und eher bevorzugt kontinuierlich jeweilige Signale an den Controller 14 zu senden. Man erkennt, dass die Sensoren 22–26 in einer integralen Struktur kombiniert sein können, die eine elektronische Steuerungseinheit umfasst, die dafür ausgelegt ist, die beschriebenen separaten Funktionen auszuführen. Ferner erkennt man auch, dass die Sensoren 22–26 und der Controller 14 weiter kombiniert werden können, so dass das System 10 eine vollständig integrierte Einheit bildet.
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Der Controller 14 ist dafür ausgelegt, Information von den Sensoren 22–26 mit einer vorher bestimmten Abfrage- bzw. Abtastrate zu erhalten, die bestimmt, wie oft die Impedanz berechnet wird. Der Controller 14 nutzt vorzugsweise einen Anfangsfilter (oder eine Pförtner-Subroutine (engl. gate-keeper subroutine)), um selektiv nur ”augenblickliche bzw. Augenblicks-”Daten an den Algorithmus zu übermitteln, wie in 3 gezeigt ist. Die Batterieimpedanz wird als solche unter Verwendung der unmittelbarsten bzw. augenblicklichsten Ereignisse abgeschätzt, so dass alle Daten, die nicht die angewendeten Augenblickskriterien erfüllen, vernachlässigt bzw. verworfen werden können. Die korrelierenden Strom- und Spannungswertpaare, die während dieser Ereignisse gemessen werden, werden als Kandidaten-Ladungsdatenpunkte für jene Ablesungen aufgezeichnet, die während Augenblicks-Ladungsereignissen vorgenommen werden, und als Kandidaten-Entladungsdatenpunkte für jene, die während Augenblicks-Entladungsereignissen vorgenommen werden. Zusammen werden mehrere der n augenblicklichsten Ladungs- und Entladungspunke aus der Menge von Kandidatenpunkten gemäß ihren Stromwerten selektiv gewählt, die in einem Datensammelbereich bzw. Datenblock (engl. data bucket) für eine vorher bestimmte Ablaufperiode als Sample- bzw. Abtastdatenpunkte gespeichert und dann gemittelt und manipuliert, um die Impedanz abzuschätzen. Folglich filtert der Algorithmus Daten, indem nur augenblickliche bzw. Augenblickspunkte analysiert werden, indem nur ein Sample bzw. eine Anzahl von n Punkten für eine Regression ausgewählt wird und indem die Abtastdatenpunkte gemittelt werden. Die bestimmte Impedanz wird schließlich mit einem vorher definierten batteriespezifischen kalibrierten Skalar oder einer relationalen Datenbank verglichen, um ein Lebensalter einer Batterie abzuschätzen.
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Das vorliegende System 10 ist schließlich vorzugsweise dafür ausgelegt, eine Ausgabe wie z. B. eine sichtbare Markierung oder eine hör- oder tastbare Meldung zu erzeugen, die von einem (nicht dargestellten) Bediener wahrgenommen werden kann. Der Controller 14 kann z. B. mit einem Datenübermittlungsgerät wie z. B. dem in 1 dargestellten Monitor 28 des Armaturenbretts kommunizierend gekoppelt sein. In dieser Ausführung dient der Controller 14 vorzugsweise dazu, zu veranlassen, dass ein Vermerk bzw. eine Anzeige 30 wie z. B. ”BATTERIELEBENSDAUER GERING” auf dem Monitor 28 aufleuchtet, wenn eine Schätzung des Lebensalters darauf schließen lässt, dass weniger als eine vorher bestimmte Schwelle (z. B. 10 Prozent) der Batterielebensdauer verbleibt. Dies weist den Bediener warnend auf die Notwendigkeit hin, die Batterie zu ersetzen. Zusätzlich zum oder anstelle des Alarms kann der Controller 14 weiter vorzugsweise ferner dafür ausgelegt sein, den Betrieb des Fahrzeugs 16 unabhängig zu modifizieren, wie z. B. indem ein (nicht dargestellter) Netzschalter gesteuert wird, der eine Unterbrechung im Schaltkreis schließen oder öffnen kann, oder indem ein Kraftstoffeinspritzmodul angewiesen wird, den Motor abzuschalten.
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II. Detaillierte Simulation und Analyse
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Um den Betrieb des vorliegenden Systems 10 besser zu veranschaulichen und zu zeigen, wie gut die meisten Augenblickspunkte, die ausgewählt werden, die gesamte Systemantwort repräsentieren können, wurde eine Simulation durchgeführt und in 4 wiedergegeben. 4 präsentiert mehrere aufgetragene Strom/Spannungswertpaare für alle gemessenen Daten und eine Liniendarstellung, die die gemittelten Ladungs- und Entladungsabtastdatenpunkte, die von den Paaren genommen wurden, verbindet. Die Paare wurden von einem Batteriezyklus einer NiMH-Baugruppe mit 24 Modulen der Reihe Cobasys 1000 in einem Ladungszustand von ungefähr 80 Prozent und minus 30 Grad Celsius aufgezeichnet. Die Simulation berechnete ungefähr 50 Milliohm pro Modul, was mit einer Ablesung von einem Messgerät mit 1-kHz-Milliohm korreliert, die unter den gleichen Batteriezustandsbedingungen an einem Modul der Reihe Cobasys 1000 vorgenommen wurde.
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Obgleich mehrere Datenpaare, die Augenblickskriterien erfüllen, an den Controller 14 geliefert wurden, bildeten nur die n/2 augenblicklichsten Ladungspunkte und n/2 augenblicklichsten Entladungspunkte innerhalb einer Ablaufperiode von X Sekunden die Sample- bzw. Abtastdatenpunkte. Man erkennt, dass der Einschluss einer Ablaufperiode separate Datenblöcke schafft, wie im Folgenden diskutiert wird und in 5 dargestellt ist.
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Die Ablaufperiode X ist gemäß einer Präferenz des Nutzers oder als Antwort auf einen Durchsatzbedarf vorzugsweise einstellbar (eventuell dynamisch während eines Betriebs), um eine korrekte Funktion zu unterstützen. Zum Beispiel kann eine Ablaufzeit von 10 Sekunden implementiert sein, wo der Controller 14 den Algorithmus mit 100 ms Strom speist und Spannung bei 100 ms abtastet, so dass 100 Strom/Spannungspaare bestimmt werden können. Für einen weniger schnell adaptierenden Algorithmus könnte X einen größeren Wert aufweisen, wie z. B. 300 Sekunden, welcher akzeptabel wäre, weil ein Augenblickswiderstand ein sich langsam verändernder Parameter ist. Noch mehr bevorzugt stellt eine unabhängige Funktion oder ein Kalibrator des Algorithmus X basierend auf einem vorher bestimmten oder eingegebenen antizipierten Strombedarfprofil ein. Falls ein aggressives Profil erwartet wird, wobei Augenblicksereignisse im Übermaß auftreten, kann X dann klein sein; falls jedoch wenige Augenblicksereignisse erwartet werden, sollten dann die Datenblockpunkte nicht schnell verfallen bzw. verworfen werden, und X sollte so groß sein, um die Genauigkeit der Schätzung zu erhöhen.
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Wie vorher diskutiert wurde, repräsentiert die Variable ”n” die Sample-Größe bzw. den Abtastumfang für eine Betrachtung, wenn das Liniendiagramm (4) bestimmt wird, und ist eine Teilmenge der tatsächlichen gemessenen Daten. Die Linie wird vom Durchschnitt der n/2 Entladungsabtastdatenpunkte und aus dem Durchschnitt der n/2 Ladungsabtastdatenpunkte gezeichnet. Gemäß dem Ohmschen Gesetz, das aufgrund der Größe der Leerlaufspannung und des Hochfrequenzwiderstandes bezüglich der gesamten Batterie-Dynamik immer gültig bleibt, ist die Steigung (dV/dI) der Linie der interne Augenblickswiderstand für die Ereignisse mit höchster Frequenz und die geschätzte wahre Impedanz zu jedem beliebigen Zeitpunkt.
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Folglich stützt sich der Algorithmus auf ein Turnier-Vorhersageschema, um Entscheidungen zu treffen, was bedeutet, dass es ”n” Punkte gibt, wobei n > 1 gilt, die beim Treffen der Entscheidung einbezogen werden. In der Praxis wird festgestellt, dass eine Vielzahl von sechs Punkten (d. h. n = 6) ausreicht, so dass ein minimaler Datenblock erforderlich ist und im Speicher reserviert wird. In der Simulation war n auf 6 gesetzt. Weiter bevorzugt enthält jeder der Buckets bzw. Blöcke auch zumindest einen Reservedatenpunkt, um die Möglichkeit eines Berechnungsfehlers zu minimieren, während Abtastdaten in die Blöcke eingehen und diese verlassen. In der Simulation wurden n + 2 Datenpunkte der Strom- und Spannungsausgabe gespeichert, wobei nur die letzten n/2 Augenblicks-Ladungs- und n/2 Augenblicks-Entladungspunkte gemittelt wurden. Die zusätzlichen +2 Punkte repräsentieren die Ereignisse mit den nächst höchsten Stromladungs- und Entladungswerten (ein zusätzlicher in jedem Datenblock).
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Als nächstes werden die Abtastdatenpunkte gemittelt, um sicherzustellen, dass die Batteriedynamik einen minimalen Fehler in die Berechnung des Widerstands induziert. Dies erhöht anerkanntermaßen die Robustheit des Algorithmus und bedeutet, dass, egal wie kompliziert die Dynamik für irgendeine gegebene Batterie, das Gleichgewicht von Ladungs- und Entladungspunkten auf gegenüberliegenden Seiten der fundamentalen Beziehung Spannung gegen Strom ist, aus der ein Innenwiderstand abgeleitet wird, eine enorme Diskrepanz in tatsächlich gemessenen Punkten einen vernachlässigbaren Einfluss haben wird. Dies macht den Algorithmus unempfindlich gegen das Profil von Ladungs- und Entladungsereignissen, die die Batterie erlebt. Die Vorkehrung, dass positive und negative Ereignisse gleich sind (die Anzahl von Ladungs- und Entladungspunkten ist gleich ”n/2”) sorgt dafür, dass die Steigung der Linie dV/dI basierend auf einer Profilvorspannung in entweder einer Ladung erhöhenden oder Ladung verringernden Verwendung nicht verzerrt wird. Selbst wenn ”n” vorzugsweise eine statistisch vorher bestimmte Zahl ist, erkennt man, dass, wenn ”n” zunimmt, der Ausgangswiderstand mehr und mehr gefiltert wird, da ein Hinzufügen oder Entfernen eines Punktes immer weniger Einfluss auf die Berechnung hat. Erneut werden, wo Reservepunkte gespeichert werden, die zusätzlichen Punkte im Durchschnitt nicht berücksichtigt, was die resultierende Widerstandsausgabe stabiler macht.
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Wie durch 3 und 5 dargestellt ist, gibt es drei Methoden, um Daten in den Blöcken zu speichern: (1) ein Ladungs- oder Entladungsereignis wird empfangen, und der entsprechende Block weist darin keine n gültigen Datenpunkte auf (da das System gerade erst zu laufen begonnen hat und noch auf keine n Ladungs- und Entladungsereignisse gestoßen ist), (2) der Block hat darin n + 1 gültige Datenpunkte, stößt aber auf einen Datenpunkt mit einer Strom- oder Leistungsgröße, die größer als die kleinste Größe eines Strom- oder Leistungspunktes in einem Block ist, oder (3) irgendein Datenpunkt in der Ablaufperiode eines Blocks verfällt. Falls irgendeines dieser drei Vorkommnisse eintritt, wird, wo dies möglich ist, der entsprechende Datenpunkt im Block entfernt und durch das (V, I)-Paar des gegenwärtigen Zeitschritts ersetzt.
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Folglich sind die Datenblöcke nicht nur einfach eine mitlaufende Verfolgungseinrichtung der ”n” jüngsten Punkte. Wenn ein Datenpunkt dem Block hinzugefügt wird, beginnt dessen Zeitgeber ein Rückwärtszählen der Ablaufperiode. Falls er nicht durch einen augenblicklicheren Punkt vor einem Verstreichen der Ablaufperiode ersetzt wird, wird er entfernt. Falls ein Punkt ersetzt wird, werden die Zeitgeber aller Punkte in den Datenblöcken durch Inkrementieren ihrer Zähler um 1 aktualisiert. Dann und nur dann falls einer der Blöcke eine Datenänderung aufgewiesen hat, wird dieser Block erneut gemittelt, um einen neuen Widerstand zu reproduzieren. Dies macht den Algorithmus adaptiv; andernfalls würde der Widerstand zu sättigen beginnen. Man erkennt, dass die Reservepunkte ihre eigene Ablaufperiode haben, welche sich von der Ablaufperiode der Abtastdatenpunkte unterscheiden kann, um ihre Reservedaten aktualisiert und adaptiv zu halten. Man erkennt auch, dass, wenn ”n” zunimmt, die Genauigkeit zunimmt, solange es n/2 Punkte innerhalb einer spezifizierten Periode gibt, um die Kriterien für Augenblicklichkeit zu erfüllen. Schließlich liegt es im Bereich der Erfindung, die Größe des Datenblocks dynamisch zu ändern.
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Ist der Innenwiderstand einmal aus der Steigung abgeleitet, kann das Batteriealter bestimmt werden, indem ein Kalibrierungsskalar verwendet wird, der diesen Widerstand auf das Alter abbildet. In einem kraftfahrzeugtechnischen Rahmen kann der Kalibrierungsskalar basierend auf der Leistung, die zur Verfügung steht, um den Motor bei einer gegebenen Temperatur anzulassen, sowie den Leistungs-, Strom- und Spannungsgrenzen der Batterie bestimmt werden. Die zum Anlassen zur Verfügung stehende Leistung kann aus der Formel Vmin·(Vmin-Vpresent)/R bestimmbar sein, worin Vmin die minimale Betriebsspannung für die Systemanwendung ist, Vpresent die zum gegenwärtigen Zeitschritt abgetastete bzw. abgefragte Spannung ist und R der durch das System bestimmte Widerstand ist. Man erkennt, dass diese Zahl negativ sein wird, wenn man die Vorzeichenkonvention beibehält, dass von einer Batterie entladene Leistung negativ ist; wobei angenommen wird, dass die Batterie die gesamte Last versorgen muss. Alternativ dazu kann eine zweite Formel Imax_discharge·Imax_discharge·R verwendet werden, um die zur Verfügung stehende Leistung zu bestimmen, wobei Imax_discharge der maximale verfügbare Entladungsstrom für die Systemanwendung ist und Imax_discharge und Vmin für eine Temperatur eingestellt werden.
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In der Simulation wurde bestimmt, dass die Steigung ungefähr 1,17 Ohm mit einen Verbindungswiderstand beträgt, und wenn auf einen vorher bestimmten Kalibrierungsskalar für eine NiMH-Batteriebaugruppe mit 24 Modulen der Reihe Cobasys 1000 bei einem Ladungszustand von ungefähr 80 Prozent und –30 Grad Celsius abgestimmt bzw. abgeglichen wurde, wurde festgestellt, dass das Lebensalter der Batterie ungefähr 15% betrug.
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Um den Vorteil der vorliegenden Erfindung hervorzuheben, wird betont, dass bei Regression durch andere Mittel (z. B. finite Elementanalyse aller Punkte) die in 4 gezeigten Daten eine optimierte Linie ergeben würden, die aufgrund der größeren Anzahl von Ladungsdatenpunkten verzerrt bzw. vorgespannt (engl. biased) wäre. Man erkennt auch, dass der erfindungsgemäße Algorithmus zur Bestimmung des Batteriealters ferner insofern vorteilhaft ist, als er dynamisch und adaptiv ist, aber nicht unnötig gerechnet werden muss. Zum Beispiel kann der Algorithmus nur so lange laufen, solange ein Wert für eine bestimmte Fahrt erkannt werden muss, und dann eine Berechnung stoppen, um so einen Durchsatz an einem Fahrzeug-Controller zu erhöhen, oder er kann vorzugsweise nur einmal pro Schlüsselzyklus laufen, da erkannt wird, dass der Leistungsstoß, der zum Anlassen erforderlich ist, während der meisten Fahrten die beschränkende Randbedingung ist.
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Die bevorzugten Formen der oben beschriebenen Erfindung sollen nur als Veranschaulichung verwendet werden und sollen nicht in einem beschränkenden Sinne beim Interpretieren des Umfangs des allgemeinen erfindungsgemäßen Konzepts verwendet werden. Offensichtliche Modifikationen an den beispielhaften Ausführungsformen und Betriebsverfahren, wie sie hierin dargelegt wurden, können vom Fachmann ohne weiteres vorgenommen werden, ohne vom Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Der Erfinder stellt hiermit seine Absicht fest, sich nur auf das Äquivalenzprinzip zu stützen, um den einigermaßen angemessenen Umfang der vorliegenden Erfindung zu bestimmen und festzulegen, wie er jedes beliebige System oder Verfahren betrifft, das nicht wesentlich vom wortgetreuen Umfang der Erfindung abweicht, aber außerhalb dessen liegt, wie er in den folgenden Ansprüchen dargelegt ist.