DE102015218797A1

DE102015218797A1 - Method for determining a real part of a complex internal resistance of a battery

Info

Publication number: DE102015218797A1
Application number: DE102015218797.7A
Authority: DE
Inventors: Hans-Michael Graf; Thomas Klement; Martin Schramme
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2015-09-29
Publication date: 2017-03-30
Also published as: WO2017055428A1; CN108291943B; EP3356835A1; CN108291943A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Realteils eines komplexen Innenwiderstands einer Batterie, wobei zu einer Mehrzahl von Messzeitpunkten zugehörige Batteriespannungswerte und Batteriestromwerte gemessen werden, welche sich entsprechend einer Anzahl angeschlossener Verbraucher ergeben, und wobei ein frequenzunabhängiger Realteil unter Verwendung einer Berechnungsvorschrift basierend auf den Batteriespannungswerten und den Batteriestromwerten bestimmt wird.The invention relates to a method for determining a real part of a complex internal resistance of a battery, wherein battery voltage values and battery current values corresponding to a number of connected consumers are measured at a plurality of measurement times, and wherein a frequency-independent real part is calculated using a calculation rule based on the battery voltage values and the battery current values.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Realteils eines komplexen Innenwiderstands einer Batterie. Insbesondere kann darunter die Bestimmung durch einen mit der Batterie verbundenen Batteriesensor (IBS) verstanden werden. The invention relates to a method for determining a real part of a complex internal resistance of a battery. In particular, this can be understood as the determination by a battery sensor (IBS) connected to the battery.

Ein Innenwiderstand einer Batterie beschreibt typischerweise die Höhe von Spannungsänderungen im Verhältnis zu den auf die Batterie einwirkenden Stromänderungen, beispielsweise nach dem Ohmschen Gesetz. Für die Diagnose einer Bleibatterie ist der Realteil des Innenwiderstands der Batterie oberhalb einer Anregungsfrequenz von etwa 100 Hz besonders interessant. Bei deutlich höheren Frequenzen tragen induktive Anteile zum komplexen Widerstand der Batterie bei, bei deutlich niedrigeren Frequenzen kapazitive Anteile. An internal resistance of a battery typically describes the magnitude of voltage changes in relation to the current changes applied to the battery, for example according to Ohm's Law. For the diagnosis of a lead battery, the real part of the internal resistance of the battery above an excitation frequency of about 100 Hz is particularly interesting. At significantly higher frequencies, inductive components contribute to the complex resistance of the battery, and at significantly lower frequencies, capacitive components.

Im Stand der Technik ist es bekannt, dass zur Bestimmung des Widerstands bei einer Frequenz ein Signal bekannter Frequenz an die Batterie angelegt wird oder ein breitbandiges Signalspektrum appliziert und anschließend das Verhalten im interessanten Frequenzbereich herausgefiltert wird. In einem Kraftfahrzeug bietet sich insbesondere letztere Methode an. Im Labor wird jedoch meist die erstere Methode benutzt. In the prior art, it is known that to determine the resistance at a frequency, a signal of known frequency is applied to the battery or applied to a broadband signal spectrum and then the behavior is filtered out in the interesting frequency range. In a motor vehicle, in particular, offers the latter method. In the laboratory, however, the former method is usually used.

Ein intelligenter Batteriesensor (IBS) bietet die Möglichkeit, Strom und Spannung bei einer Frequenz von mindestens 1000 Hz zu messen und durch Auswertung beider Signale auf den Realteil des Widerstands zu schließen. Im intelligenten Batteriesensor wird der Batteriestrom üblicherweise mittels Shunt-Widerstand gemessen. Das am Shunt-Widerstand abfallende Spannungssignal wird verstärkt und über einen schnellen, zeitdiskreten Analog-Digital(AD)-Wandler in digitale Werte gewandelt. Die Batteriespannung wird über einen Spannungsteiler in einen AD-Wandler eingespeist. An intelligent battery sensor (IBS) offers the possibility of measuring current and voltage at a frequency of at least 1000 Hz and by evaluating both signals to infer the real part of the resistance. In the intelligent battery sensor, the battery current is usually measured by shunt resistor. The voltage signal at the shunt resistor is amplified and converted to digital values via a fast, time-discrete analog-to-digital (AD) converter. The battery voltage is fed via a voltage divider into an AD converter.

Bisher wurde die Berechnung eines Innenwiderstands einer Batterie typischerweise folgendermaßen durchgeführt. Eine Apparatur bestehend aus einem Mikrocontroller, einem Analogverstärker, einem AD-Wandler sowie einem Shunt-Widerstand liefert Messsignale von Strom und Spannung, welche die physikalischen Voraussetzungen erfüllen, um damit eine Widerstandsberechnung durchzuführen. Es stehen also Strom und Spannung als zeitdiskrete Wertepaare zur Verfügung. Die Strom- und Spannungswerte, welche zur Verfügung stehen, ergeben sich aus der Aktivität der an das Fahrzeugbordnetz angeschlossenen Geräte wie Batterie, Steuergeräte, Generator oder Scheinwerfer. Es wird also vom Batteriesensor typischerweise kein aktives Messsignal auf die Batterie eingespeist und ausgewertet. So far, the calculation of an internal resistance of a battery has typically been performed as follows. An apparatus consisting of a microcontroller, an analog amplifier, an AD converter and a shunt resistor provides measurement signals of current and voltage, which meet the physical requirements in order to perform a resistance calculation. Thus, current and voltage are available as time-discrete value pairs. The current and voltage values that are available result from the activity of the devices connected to the vehicle electrical system such as battery, control units, generator or headlights. Thus, the battery sensor typically does not supply and evaluate an active measurement signal to the battery.

Die gemessenen Strom- und Spannungswerte durchlaufen eine Filterung, werden differenziert und der Quotient gebildet. Dies geschieht nach dem Ohmschen Gesetz R = dU/dI. Eine geeignete nachgelagerte Mittelwertbildung und Normierung kann anschließend zum finalen Wert des Innenwiderstands führen. Bei dieser Bestimmungsmethode wird jedoch nicht der Realteil des Innenwiderstands bestimmt, sondern vielmehr der Absolutbetrag der komplexen Impedanz Z, wie sie beispielsweise in 1 schematisch wiedergegeben ist. Außerdem wird die anregende Frequenz durch das Bordnetz vorgegeben, wodurch sie variabel und nicht vorhersehbar ist. Dies führt zu starken Schwankungen. The measured current and voltage values undergo filtering, are differentiated and the quotient is formed. This is done according to Ohm's law R = dU / dI. A suitable downstream averaging and normalization can then lead to the final value of the internal resistance. In this method of determination, however, the real part of the internal resistance is not determined, but rather the absolute value of the complex impedance Z, as shown, for example, in FIG 1 is shown schematically. In addition, the exciting frequency is given by the electrical system, which makes it variable and unpredictable. This leads to strong fluctuations.

Alternativ kann die Bestimmung des Innenwiderstands insbesondere mit Labormitteln üblicherweise mit einem speziellen Messgerät erfolgen, das die komplexe Impedanz Z(f) bei einer Frequenz von beispielsweise 1 kHz bestimmt. Dazu wird aktiv ein kleiner sinusförmiger Strom, üblicherweise mit 1000 Hz, der Batterie aufgeprägt. Die von diesem Strom an der Batterie hervorgerufene Spannungsänderung wird gemessen und mithilfe der entstehenden Phasenverschiebung der Real- und Imaginärteil der Impedanz Z ermittelt. Alternatively, the determination of the internal resistance, in particular with laboratory means, can usually be carried out with a special measuring device which determines the complex impedance Z (f) at a frequency of, for example, 1 kHz. For this purpose, a small sinusoidal current, usually with 1000 Hz, the battery is impressed. The voltage change caused by this current on the battery is measured and the real and imaginary part of the impedance Z are determined by means of the resulting phase shift.

Der daraus resultierende reelle Widerstand R ist dann der reelle Widerstand der Batterie. Problematisch für eine Anwendung in einem Batteriesensor ist der vergleichsweise hohe Aufwand, um aktiv einen Strom einzuprägen, so dass diese Methode vorwiegend bei Labormessgeräten anzutreffen ist. The resulting real resistance R is then the real resistance of the battery. The problem for an application in a battery sensor is the comparatively high effort to actively impart a current, so that this method is predominantly found in laboratory measuring instruments.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Bestimmen eines Realteils eines komplexen Innenwiderstands einer Batterie vorzusehen, welches tatsächlich den Realteil liefert und einfacher anwendbar ist. It is therefore an object of the invention to provide a method for determining a real part of a complex internal resistance of a battery, which actually provides the real part and is easier to use.

Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen können beispielsweise den Unteransprüchen entnommen werden. Der Inhalt der Ansprüche wird durch ausdrückliche Inbezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht. This is achieved according to the invention by a method according to claim 1. Advantageous embodiments can be taken, for example, the dependent claims. The content of the claims is made by express reference to the content of the description.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Realteils eines komplexen Innenwiderstands einer Batterie, welches folgende Schritte aufweist:

– Messen, zu einer Mehrzahl von Messzeitpunkten (t_i), jeweils eines zugehörigen Batteriespannungswerts (U) und eines zugehörigen Batteriestromwerts (I), welche sich entsprechend einer Anzahl angeschlossener Verbraucher ergeben, und
– Bestimmen eines frequenzunabhängigen Realteils unter Verwendung einer Berechnungsvorschrift basierend auf den Batteriespannungswerten (U) und den Batteriestromwerten (I).

The invention relates to a method for determining a real part of a complex internal resistance of a battery, comprising the following steps:

Measuring, at a plurality of measurement times (t _i ), respectively, an associated battery voltage value (U) and an associated battery current value (I), which result according to a number of connected consumers, and
Determining a frequency-independent real part using a calculation rule based on the battery voltage values (U) and the battery current values (I).

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Gegensatz zur ersten aus dem Stand der Technik bekannten Methode wie oben beschrieben eine genaue Bestimmung des Realteils und nicht nur des Betrags der Impedanz möglich. Im Gegensatz zur zweiten oben beschriebenen Methode mit Anregung wird der Strom entsprechend angeschlossener Verbraucher und nicht entsprechend Anregung gemessen. Damit kann auf eine Anregung verzichtet werden. By means of the method according to the invention, in contrast to the first method known from the prior art as described above, an accurate determination of the real part and not only the amount of the impedance is possible. In contrast to the second method described above with excitation, the current is measured according to connected consumers and not according to excitation. This can be dispensed with a suggestion.

Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben erkannt, dass Berechnungsvorschriften existieren, welche ein solches Vorgehen erlauben. Aus dem Stand der Technik sind jedoch keine solchen Berechnungsvorschriften bekannt, vielmehr galt es im Stand der Technik als nicht möglich, ohne Anregung separat einen Realteil zu messen. The inventors of the present application have recognized that calculation rules exist which allow such a procedure. From the prior art, however, no such calculation rules are known, but it was in the prior art as not possible to measure separately without stimulation a real part.

Es sei verstanden, dass statt eines frequenzunabhängigen Realteils auch schlicht von einem Realteil gesprochen werden kann. Bei den angeschlossenen Verbrauchern kann es sich beispielsweise um Komponenten handeln, welche typischerweise in einem Fahrzeug vorhanden sind, insbesondere elektronische Steuerungsvorrichtungen, Scheinwerfer, Lichtmaschinen, sonstige Komponenten einer Fahrzeugbeleuchtung, Zündung oder Komfortelemente wie elektrische Fensterheber oder Motoren einer elektrischen Sitzverstellung. It should be understood that instead of a frequency-independent real part can also be simply spoken of a real part. The connected consumers may be, for example, components which are typically present in a vehicle, in particular electronic control devices, headlights, alternators, other components of a vehicle lighting, ignition or comfort elements such as electric windows or motors of an electric seat adjustment.

Insbesondere wird das Messen durchgeführt, ohne die Batterie anzuregen oder ihr ein Anregungssignal aufzuprägen. Darunter kann insbesondere verstanden werden, dass keine Komponenten vorhanden sind, welche speziell zur Messung einen Strom oder eine Spannung der Batterie aufprägen. Auf das Vorsehen solcher Komponenten, welche typischerweise aufwändig sind, kann somit verzichtet werden, was die Einsatzfähigkeit des Verfahrens insbesondere in Fahrzeugen für den Massenmarkt deutlich verbessert. In particular, the measurement is performed without exciting the battery or imparting an excitation signal to it. This can be understood in particular to mean that there are no components which specifically impose a current or a voltage of the battery for the purpose of measurement. On the provision of such components, which are typically expensive, can thus be dispensed with, which significantly improves the usability of the method, especially in vehicles for the mass market.

Die Berechnungsvorschrift kann insbesondere auf einem Ersatzschaltbild der Batterie basieren. Ein solches Ersatzschaltbild wird weiter unten und auch mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, so dass hier auf die weiter unten stehenden Ausführungen verwiesen werden kann. The calculation rule can in particular be based on an equivalent circuit diagram of the battery. Such an equivalent circuit diagram will be described below and also with reference to the accompanying drawings, so that reference may be made to the statements below.

In die Berechnungsvorschrift können vorteilhaft zumindest folgende Parameter eingehen:

– Batteriemodellinduktivität (L),
– Batteriemodellkapazität (C_x),
– parasitärer Widerstand und Batteriekapazität (R_x).

At least the following parameters can advantageously be included in the calculation rule:

Battery model inductance (L),
Battery model capacity (C _x ),
- parasitic resistance and battery capacity (R _x ).

Es hat sich gezeigt, dass Berechnungsvorschriften, in welche diese Parameter eingehen, eine besonders vorteilhafte, d.h. insbesondere einfache und genaue Bestimmung des Realteils ermöglichen. Derartige Modellparameter L, R_x und C_x können insbesondere Funktionen eines Ladezustands (SOC = State of Charge), einer Temperatur und/oder einer Batteriekapazität sein.It has been found that calculation rules in which these parameters are incorporated make it possible to determine the real part in a particularly advantageous manner, that is to say in particular simply and accurately. Such model parameters L, R _x and C _x can in particular be functions of a state of charge (SOC), a temperature and / or a battery capacity.

In die Berechnungsvorschrift können vorteilhaft zumindest die Batteriespannungswerte (U), die Batteriestromwerte (I), erste und zweite Ableitungen der Batteriespannungswerte (U) sowie erste, zweite und dritte zeitliche Ableitungen der Batteriestromwerte (I) eingehen. Berechnungsvorschriften mit derartigen Werten haben sich als vorteilhaft für typische Anwendungen erwiesen. Beispielhafte Berechnungsvorschriften werden weiter unten angegeben. Advantageously, at least the battery voltage values (U), the battery current values (I), first and second derivatives of the battery voltage values (U) and first, second and third time derivatives of the battery current values (I) can be included in the calculation specification. Calculation rules with such values have proven to be advantageous for typical applications. Exemplary calculation rules are given below.

Gemäß einer Ausführung kann die Berechnungsvorschrift durch folgende Formel angegeben sein:

According to one embodiment, the calculation rule may be given by the following formula:

Dieses Vorgehen ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn davon ausgegangen werden kann, dass die offene Klemmenspannung (OCV = Open Clamp Voltage) der Batterie konstant ist. Dieses Vorgehen stellt eine besonders einfache Ausführung dar, insbesondere im Vergleich zu den nachfolgend beschriebenen Ausführungen, bei welchen diese Voraussetzung nicht gilt. This procedure is particularly advantageous if it can be assumed that the open terminal voltage (OCV = Open Clamp Voltage) of the battery is constant. This procedure represents a particularly simple embodiment, in particular in comparison to the embodiments described below, in which this condition does not apply.

Gemäß einer Ausführung kann die Berechnungsvorschrift angeben, dass der Realteil als Steigung einer Gerade zu ermitteln ist, welche Punkte in einem zweidimensionalen Koordinatensystem mit einer x-Achse und einer y-Achse approximiert, wobei die Berechnungsvorschrift aufgetragene Terme auf der x-Achse und auf der y-Achse angibt. Mittels einer solchen Berechnungsvorschrift kann insbesondere auch in dem Fall, in welchem OCV nicht konstant ist bzw. nicht von einer Konstanz von OCV ausgegangen werden kann, der Realteil ermittelt werden. Beispiele hierfür werden nachfolgend gegeben. Die Berechnungsvorschrift kann dabei insbesondere angeben, dass auf der x-Achse der Term

aufgetragen ist und auf der y-Achse der Term

aufgetragen ist. Ein derartiges Vorgehen hat sich insbesondere in dem Fall als vorteilhaft erwiesen, in welchem OCV nicht als konstant angenommen werden kann. According to an embodiment, the calculation rule may specify that the real part is to be determined as the slope of a straight line which approximates points in a two-dimensional coordinate system having an x-axis and a y-axis, wherein the calculation rule applies plotted terms on the x-axis and on the y-axis indicates y-axis. By means of such a calculation rule, in particular in the case in which OCV is not constant or can not be assumed to have a constancy of OCV, the real part can be determined. Examples of this are given below. In particular, the calculation rule can specify that the term

is plotted and on the y-axis of the term

is applied. Such a procedure has proved particularly advantageous in the case in which OCV can not be assumed to be constant.

Durch Minimierung der Abstände einer Vielzahl von Messpunkten ergibt sich somit eine Ausgleichsgerade mit folgender Geradengleichung:

By minimizing the distances of a plurality of measuring points, this results in a straight line with the following straight line equation:

Die Steigung a entspricht also dem reellen Widerstand R. The slope a thus corresponds to the real resistance R.

Gemäß einer alternativen Berechnungsvorschrift kann diese beispielsweise auch angeben, dass auf der x-Achse der Term

aufgetragen ist und auf der y-Achse der Term

aufgetragen ist. For example, according to an alternative calculation rule, this can also specify that the term is used on the x-axis

is plotted and on the y-axis of the term

is applied.

Die Berechnungsvorschrift kann insbesondere angeben, dass zumindest zwei unterschiedliche Regressionsverfahren zur Bestimmung eines jeweiligen Realteils verwendet werden, wobei ein Abstand zwischen den jeweils ermittelten Realteilen ein Maß für die Qualität der Berechnung darstellt. Somit kann die Zuverlässigkeit bei der Bestimmung des Realteils erhöht werden. Es sei jedoch verstanden, dass grundsätzlich auch nur ein Regressionsverfahren verwendet werden kann. In particular, the calculation rule can specify that at least two different regression methods are used to determine a respective real part, wherein a distance between the respectively determined real parts represents a measure of the quality of the calculation. Thus, the reliability in determining the real part can be increased. However, it should be understood that basically only one regression method can be used.

Hinsichtlich zu verwendender Regressionsverfahren zur Bestimmung einer Geradensteigung kann auf bekannte Vorgehensweisen zurückgegriffen werden. Beispiele hierzu sind weiter unten beschrieben. Regarding the regression method to be used for determining a straight line slope, known methods can be used. Examples of this are described below.

Die Berechnungsvorschrift kann insbesondere angeben, dass der Realteil nach folgender Formel berechnet wird:

wobei

– x_i Werte des auf der x-Achse angetragenen Terms zur Zeit t_i sind,
– y_i Werte des auf der y-Achse angetragenen Terms zur Zeit t_i sind, und
– Δx_i sowie Δy_i Parameter sind.

In particular, the calculation rule can specify that the real part is calculated according to the following formula:

in which

X _i are values of the term plotted on the x-axis at time t _i ,
- y _i are the values of the y-axis term at time t _i , and
- Δx _i and Δy _{i are} parameters.

Mittels der eben beschriebenen Formel kann insbesondere das Rauschen berücksichtigt werden, wobei Mittelwertdifferenzen selbst unter Idealbedingungen niemals Null werden. Zur Verbesserung des Regressionsergebnisses kann daher beispielsweise eine Korrektur der Summen verursacht durch Rauschen von Strom und Spannung wie eben beschrieben vorgenommen werden. By means of the formula just described, in particular the noise can be taken into account, mean value differences never becoming zero even under ideal conditions. Therefore, to improve the regression result, for example, correction of the sums caused by noise of current and voltage can be made as just described.

Die Berechnungsvorschrift kann auch angeben, dass der Realteil zu jedem Messzeitpunkt als Quotient aus einem ersten Term und einem zweiten Term berechnet wird. Auch hierfür haben sich geeignete Formeln gefunden, welche zur Bestimmung eines Realteils geeignet sind. Beispielsweise kann die Berechnungsvorschrift angeben, dass der erste Term

lautet und der zweite Term

lautet. The calculation rule can also specify that the real part is calculated at each measurement time as a quotient of a first term and a second term. Again, suitable formulas have been found which are suitable for determining a real part. For example, the calculation rule may indicate that the first term

is and the second term

reads.

Damit kann auf die rechnerisch aufwändige Regression verzichtet werden und der Realteil stattdessen durch eine einfacher durchzuführende Division ermittelt werden. Dies kann beispielsweise von Vorteil sein, wenn sparsam mit Rechenkapazität umgegangen werden soll, beispielsweise um die Kosten für ein entsprechendes Rechenmodul nicht zu hoch zu treiben. Thus, the computationally expensive regression can be dispensed with and the real part can instead be determined by a simple division to be performed. This can be advantageous, for example, if economical use is to be made of computing capacity, for example in order not to exaggerate the costs for a corresponding computing module.

Die Batterie kann vorteilhaft eine Blei-Säure-Batterie sein. Derartige Batterien haben sich insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen bewährt, und es hat sich gezeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren gerade für solche Batterien vorteilhaft anwendbar ist. Es sei jedoch verstanden, dass unter einer Batterie hier typischerweise eine wiederaufladbare Batterie verstanden wird, welche beispielsweise auch als Akkumulator bezeichnet werden kann. Es sei diesbezüglich darauf hingewiesen, dass sich für in Kraftfahrzeugen verwendete Akkumulatoren die Bezeichnung Batterie, insbesondere Autobatterie, durchgesetzt hat. The battery may advantageously be a lead-acid battery. Such batteries have proven particularly suitable for use in motor vehicles, and it has been shown that the method according to the invention is advantageously applicable for such batteries. It should be understood, however, that a battery here is typically understood as a rechargeable battery, which may also be referred to as an accumulator, for example. It should be noted in this regard that for batteries used in motor vehicles, the term battery, especially car battery, has prevailed.

Die Batteriespannungswerte (U) und/oder die Batteriestromwerte (I) können gefiltert oder ungefiltert verwendet werden. Eine Filterung kann die Genauigkeit der Berechnung verbessern, wohingegen der Verzicht auf eine Filterung den Bedarf an Rechenleistung verringern kann. The battery voltage values (U) and / or the battery current values (I) may be used filtered or unfiltered. Filtering can improve the accuracy of the calculation, while eliminating filtering can reduce the need for computational power.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein elektronisches Steuerungsmodul zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Batterieanordnung mit einer Batterie, insbesondere einer Blei-Säure-Batterie und einer solchen Vorrichtung. Außerdem betrifft die Erfindung ein computerlesbares nichtflüchtiges Speichermedium, welches Programmcode enthält, bei dessen Ausführung ein Prozessor das erfindungsgemäße Verfahren durchführt. Hinsichtlich des Verfahrens kann dabei jeweils auf alle hierin beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden. The invention further relates to an electronic control module for carrying out the method according to the invention. The invention further relates to a battery arrangement with a battery, in particular a lead-acid battery and such a device. Moreover, the invention relates to a computer-readable non-volatile storage medium containing program code, in the execution of which a processor performs the method according to the invention. With regard to the method can be used in each case to all embodiments and variants described herein.

Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung genauer beschrieben. Dabei zeigen: The invention will be described in more detail below with reference to the accompanying drawings. Showing:

1: einen typischen Widerstandsverlauf einer Bleibatterie bei verschiedenen Frequenzen, 1 : a typical resistance of a lead-acid battery at different frequencies,

2: ein elektrisches Ersatzschaltbild einer Bleibatterie. 2 : an electrical equivalent circuit diagram of a lead-acid battery.

Der Erfindung zugrunde liegt ein elektrisches Ersatzschaltbild der Batterie, welches so parametriert ist, dass es den Innenwiderstand der zu messenden Batterie abbildet. Ein solches Ersatzschaltbild ist in 2 wiedergegeben, wobei L eine Induktivität, R den Innenwiderstand, C_x eine Kapazität, R_x einen zur Kapazität C_x parasitären Widerstand und OCV eine offene Klemmenspannung bezeichnen. Die offene Klemmenspannung OCV kann insbesondere von Parametern wie einer Temperatur T oder einem Ladezustand SOC (State of Charge) abhängen.The invention is based on an electrical equivalent circuit diagram of the battery, which is parameterized such that it maps the internal resistance of the battery to be measured. Such an equivalent circuit diagram is in 2 where L is an inductance, R is the internal resistance, C _{x is} a capacitance, R _{x is} a capacitance C _x parasitic resistance, and OCV is an open terminal voltage. The open terminal voltage OCV may in particular depend on parameters such as a temperature T or a state of charge SOC.

Das Modell kann gegenüber 2 auch um zusätzliche Elemente erweitert werden: Widerstände R, Kapazitäten C, Induktivitäten L, nichtlineare Elemente, Warburg-Element, u.s.w.. Es kann auch in Abhängigkeit des Batterieszustandes (Ladezustand, Temperatur u.s.w.) parametriert werden. The model can be opposite 2 can also be extended by additional elements: resistors R, capacitances C, inductors L, non-linear elements, Warburg element, etc. It can also be parameterized depending on the battery state (state of charge, temperature, etc.).

Es kann typischerweise angenommen werden, dass über die Lebensdauer der Batterie insbesondere der Realteil des Innenwiderstandes R ansteigt. Alle anderen Teile des Ersatzschaltbildes können typischerweise als nahezu konstant angenommen werden.It can typically be assumed that, in particular, the real part of the internal resistance R increases over the life of the battery. All other parts of the equivalent circuit diagram can typically be assumed to be almost constant.

Die Berechnung des Realteils des Innenwiderstands erfolgt dann anhand einer auf dem Batteriemodell beruhenden Differenzengleichung. Dazu werden die dem Batteriemodell zugehörigen Differenzialgleichungen ermittelt und in einem weiteren Schritt werden diese Gleichungen nach dem zu bestimmenden Wert R aufgelöst.The calculation of the real part of the internal resistance then takes place on the basis of a differential equation based on the battery model. For this purpose, the differential equations associated with the battery model are determined, and in a further step these equations are resolved according to the value R to be determined.

Es sei verstanden, dass nachfolgend anstatt der bereits eingeführten Bezeichnungen U und I für die gemessene Spannung und den gemessenen Strom auch die Bezeichnungen U_batt und I_batt verwendet werden.It should be understood that subsequently, instead of the already introduced designations U and I, the terms U _batt and I _batt are also used for the measured voltage and the measured current.

Eine Herleitung einer möglichen Differentialgleichung kann beispielsweise wie folgt erfolgen:

A derivation of a possible differential equation can be done, for example, as follows:

Diese kann beispielsweise mittels Ableitung nach der Zeit wie folgt gelöst werden:

This can be solved for example by means of derivative by time as follows:

Der Wert R repräsentiert den reellen ohmschen Innenwiderstand der Batterie. Falls OCV konstant wäre, dann könnte der reelle Widerstand zu jedem Zeitpunkt mittels der folgenden vereinfachten Gleichung berechnet werden:

The value R represents the real internal resistance of the battery. If OCV were constant, then the real resistance could be calculated at any time using the following simplified equation:

Die Ableitungen von Strom und Spannung nach der Zeit (d/dt) können beispielsweise in einem Mikrokontroller (µC) durch Differenzenbildung berechnet werden.The derivatives of current and voltage after the time (d / dt) can be calculated, for example, in a microcontroller (.mu.C) by forming differences.

Der Wert R ist dann frequenzunabhängig. The value R is then independent of frequency.

Häufig wird die Annahme, dass OCV konstant ist, jedoch nicht zu halten sein. In diesem Fall kann der reelle Widerstand beispielsweise durch eine Least-Square-Analyse (Regressionsgerade) bestimmet werden. Gemäß einer Ausführung wird dabei auf einer virtuellen x-Achse der aus Messwerten bestimmte Term X

aufgetragen. Auf der virtuellen y-Achse erfolgt die Auftragung des berechneten Terms Y

Often, however, the assumption that OCV is constant will not be sustainable. In this case, the real resistance can be determined, for example, by a least square analysis (regression line). According to one embodiment, the term X determined from measured values is determined on a virtual x-axis

applied. The virtual y-axis is used to plot the calculated term Y

Durch Minimierung der Abstände einer Vielzahl von Messpunkten ergibt sich eine Ausgleichsgerade mit der folgenden Geradengleichung:

By minimizing the distances of a plurality of measuring points, a straight line with the following straight line equation results:

Die Steigung a entspricht also dem reellen Widerstand RThe slope a thus corresponds to the real resistance R

Die Bestimmung des Realteils des Innenwiderstandes einer Batterie, insbesondere einer Blei-Säure-Batterie, kann allgemeiner ausgedrückt beispielsweise durch Anwenden eines Verfahrens mit den folgenden Schritten erfolgen:

1) Erstellung einer elektrischen Ersatzschaltung
2) Bestimmung der Differenzialgleichung der Ersatzschaltung
3) Überführung der Differentialgleichungen in eine lineare Form, welche als Proportionalitätskonstante den Innenwiderstand aufweiset
4) numerische Berechnung aller notwendigen Differentialquotienten a) aus den Messsignalen von Strom und Spannung und b) aus batteriespezifischen Parametern wie L, R_x, C_x, Temperatur, Ladezustand, u.s.w.
5) numerische Bestimmung des Realteils des Innenwiderstandes unter Zuhilfenahme der ermittelten Differentialquotienten.

The determination of the real part of the internal resistance of a battery, in particular a lead-acid battery, can be expressed more generally, for example by applying a method with the following steps:

1) Creation of an electrical equivalent circuit
2) Determination of the differential equation of the equivalent circuit
3) transfer of the differential equations into a linear form, which has the internal resistance as a proportionality constant
4) numerical calculation of all necessary differential quotients a) from the measuring signals of current and voltage and b) from battery specific parameters like L, R _x , C _x , temperature, state of charge, etc
5) numerical determination of the real part of the internal resistance with the aid of the determined differential quotient.

Es sei verstanden, dass dieses Verfahren einen eigenständigen Erfindungsaspekt darstellt und in beliebiger Weise sowie in beliebiger Unterkombination mit anderen in dieser Anmeldung offenbarten Aspekten kombiniert werden kann.It should be understood that this method is a separate aspect of the invention and may be combined in any manner and in any sub-combination with other aspects disclosed in this application.

Ein Vorteil der sich aus der beschriebenen Lösung ergibt, ist ein von Phasen und Frequenzverhalten der Batterie kompensierter Wert des Innenwiderstands, dessen Wert stabil gegenüber Frequenzschwankungen des Bordnetzes ist. An advantage resulting from the described solution is a value compensated by phases and frequency behavior of the battery value of the internal resistance whose value is stable to frequency fluctuations of the electrical system.

Weiterhin ist die Berechnung der Differentialquotienten selbst mit hoher Abtastrate von einem kostengünstigen Mikrokontroller zu bewerkstelligen.Furthermore, the calculation of the differential quotients even with high sampling rate of a low-cost microcontroller to accomplish.

Die für ein solches Ergebnis erforderliche aktive Einspeisung von Messsignalen in die Batterie entfällt, was ebenfalls den apparativen Aufwand verringert.The required for such a result active feed of measurement signals in the battery is eliminated, which also reduces the expenditure on equipment.

Es sei erwähnt dass es gemäß einer alternativen Ausführung auch möglich ist, das Bordnetzes nach Frequenz und Phase auszuwerten, insbesondere mittels einer Fouriertransformation. Dies erfordert jedoch eine hohe Rechenleistung und damit den Einsatz eines DSPs (Digitaler Signalprozessor) und den damit verbundene höheren Kosten.It should be mentioned that according to an alternative embodiment it is also possible to evaluate the vehicle electrical system according to frequency and phase, in particular by means of a Fourier transformation. However, this requires a high computing power and thus the use of a DSP (Digital Signal Processor) and the associated higher costs.

Durch die über eine Fouriertransformation, insbesondere eine Fast-Fouriertransformation (FFT) erlangte Kenntnis über Frequenz und Phase der Signale kann, durch eine geeignete nachgelagerte Filterung, deren Einfluss minimiert werden.By means of a Fourier transformation, in particular a fast Fourier transformation (FFT), knowledge about the frequency and phase of the signals can be minimized by means of suitable downstream filtering.

Gemäß einer Ausführung kann der Widerstand bei jedem neuen Messwert aus R(t) = Y(t)/X(t) berechnet werden. Gemäß einer weiteren Ausführung kann der Widerstand durch Regressionsanalyse einer Vielzahl von Werten von X_i und Y_i bestimmt werden.According to one embodiment, the resistance at each new measurement can be calculated from R (t) = Y (t) / X (t). According to another embodiment, the resistance may be determined by regression analysis of a plurality of values of X _i and Y _i .

Anstelle der einfachen Ableitung nach der Zeit

können auch Ableitungen nach der Zeit höherer Ordnung benutzt werden, beispielsweise folgendermaßen:

Instead of the simple derivation after the time

Derivatives may also be used after the higher order time, for example as follows:

Zur Findung der Ausgleichsgerade zwischen X_i und Y_i können beispielsweise die quadratischen Abstände der Y_i-Werte von berechneten Y-Werten benutzt werden:

For finding the best-fit line between X _i and Y _i , for example, the quadratic distances of the Y _i values of calculated Y values can be used:

Zur Findung der Ausgleichsgerade zwischen X_i und Y_i können beispielsweise auch die quadratischen Abstände der X_i-Werte von berechneten X-Werten benutzt werden:

For finding the best-fit line between X _i and Y _i , for example, the quadratic distances of the X _i values of calculated X values can also be used:

Zur Findung der Ausgleichsgerade zwischen X_i und Y_i können beispielsweise auch die quadratischen Abstände der Wertepaare X_i, Y_i von der berechneten Ausgleichsgerade minimiertwerden:

For finding the best-fit line between X _i and Y _i , for example, the quadratic distances of the value pairs X _i , Y _i can also be minimized from the calculated compensation straight line:

Der Unterschied zwischen dem Widerstand R aus unterschiedlichen Berechnungsverfahren kann als Maß für die Qualität bzw. den Fehler des Widerstandes herangezogen werden. The difference between the resistance R from different calculation methods can be used as a measure of the quality or the error of the resistance.

Die Berechnung der Ausgleichsgerade kann numerisch für eine der oben beschriebene Ausführungen wie folgt implementiert werden:

The calculation of the regression line can be implemented numerically for one of the embodiments described above as follows:

Zur Bestimmung der Ausgleichsgerade kann der Offset B auf den Wert 0 gesetzt werden, wodurch sich die Berechnung (hier für die Ausführung mit den quadratischen Abständen der Y_i-Werte von berechneten Y-Werten) vereinfacht:

To determine the best-fit line, the offset can be set to the value B 0, whereby the calculation is simplified (in this case for the embodiment with the square distances of the Y _i values of computed Y values):

Die Berechnung der zeitlichen Ableitung kann beispielsweise durch Differenzbildung ermittelt werden:

The calculation of the time derivative can be determined, for example, by subtraction:

Infolge des bekannten Rauschens von Strom und Spannung werden obige Mittelwertdifferenzen Xavg·Xavg – Xi·Xi, Yavg·Yavg – Yi·Yi oder Xavg·Yavg – Xi·Yi selbst unter Idealbedingungen niemals 0 werden. Dies ermöglicht folgende Formel zur Berechnung des Widerstands:

As a result of the well-known noise of current and voltage, the above average differences Xavg · Xavg-Xi · Xi, Yavg · Yavg-Yi · Yi or Xavg · Yavg-Xi · Yi will never become 0 even under ideal conditions. This allows the following formula for calculating the resistance:

Zur Verbesserung des Regressionsergebnisses kann daher beispielsweise eine Korrektur der Summen verursacht durch Rauschen von Strom und Spannung vorgenommen werden.Therefore, to improve the regression result, for example, correction of the sums caused by noise of current and voltage can be made.

Anstelle des in 2 dargestellten Ersatzschaltbildes können alternative Ersatzschaltbilder als Basis genommen werden. Insbesondere können einzelne Komponenten des Ersatzschaltbildes in 2 auch entfallen.Instead of in 2 shown equivalent circuit diagram alternative equivalent circuit diagrams can be taken as a basis. In particular, individual components of the equivalent circuit diagram in 2 also omitted.

Die Eingangswerte von Strom und Spannung können sowohl gefiltert als auch ungefiltert in die Regressionsrechnung eingehen. The input values of current and voltage can be both filtered and unfiltered in the regression calculation.

Erwähnte Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Sie können jedoch auch in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer seiner Ausführungen, beispielsweise mit einer bestimmten Zusammenstellung von Schritten, in der Weise ausgeführt werden dass keine weiteren Schritte ausgeführt werden. Es können jedoch grundsätzlich auch weitere Schritte ausgeführt werden, auch solche welche nicht erwähnt sind.Mentioned steps of the method according to the invention can be carried out in the order given. However, they can also be executed in a different order. In one of its embodiments, for example with a specific set of steps, the method according to the invention can be carried out in such a way that no further steps are carried out. However, in principle also further steps can be carried out, even those which are not mentioned.

Die zur Anmeldung gehörigen Ansprüche stellen keinen Verzicht auf die Erzielung weitergehenden Schutzes dar. The claims belonging to the application do not constitute a waiver of the achievement of further protection.

Sofern sich im Laufe des Verfahrens herausstellt, dass ein Merkmal oder eine Gruppe von Merkmalen nicht zwingend nötig ist, so wird anmelderseitig bereits jetzt eine Formulierung zumindest eines unabhängigen Anspruchs angestrebt, welcher das Merkmal oder die Gruppe von Merkmalen nicht mehr aufweist. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Unterkombination eines am Anmeldetag vorliegenden Anspruchs oder um eine durch weitere Merkmale eingeschränkte Unterkombination eines am Anmeldetag vorliegenden Anspruchs handeln. Derartige neu zu formulierende Ansprüche oder Merkmalskombinationen sind als von der Offenbarung dieser Anmeldung mit abgedeckt zu verstehen.If, in the course of the procedure, it turns out that a feature or a group of features is not absolutely necessary, it is already desired on the applicant side to formulate at least one independent claim which no longer has the feature or the group of features. This may, for example, be a subcombination of a claim present at the filing date or a subcombination of a claim limited by further features of a claim present at the filing date. Such newly formulated claims or feature combinations are to be understood as covered by the disclosure of this application.

Es sei ferner darauf hingewiesen, dass Ausgestaltungen, Merkmale und Varianten der Erfindung, welche in den verschiedenen Ausführungen oder Ausführungsbeispielen beschriebenen und/oder in den Figuren gezeigt sind, beliebig untereinander kombinierbar sind. Einzelne oder mehrere Merkmale sind beliebig gegeneinander austauschbar. Hieraus entstehende Merkmalskombinationen sind als von der Offenbarung dieser Anmeldung mit abgedeckt zu verstehen.It should also be noted that embodiments, features and variants of the invention, which are described in the various embodiments or embodiments and / or shown in the figures, can be combined with each other as desired. Single or multiple features are arbitrarily interchangeable. Resulting combinations of features are to be understood as covered by the disclosure of this application.

Rückbezüge in abhängigen Ansprüchen sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmale der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Recoveries in dependent claims are not to be understood as a waiver of obtaining independent, objective protection for the features of the dependent claims.

Diese Merkmale können auch beliebig mit anderen Merkmalen kombiniert werden. Merkmale, die lediglich in der Beschreibung offenbart sind oder Merkmale, welche in der Beschreibung oder in einem Anspruch nur in Verbindung mit anderen Merkmalen offenbart sind, können grundsätzlich von eigenständiger erfindungswesentlicher Bedeutung sein. Sie können deshalb auch einzeln zur Abgrenzung vom Stand der Technik in Ansprüche aufgenommen werden.These features can also be combined as desired with other features. Features that are disclosed only in the specification or features that are disclosed in the specification or in a claim only in conjunction with other features may, in principle, be of independent significance to the invention. They can therefore also be included individually in claims to distinguish them from the prior art.

Claims

A method of determining a real part of a complex internal resistance of a battery, comprising the steps of: measuring, at a plurality of measurement times (t _i ), respectively, an associated battery voltage value (U) and an associated battery current value (I) corresponding to a number of connected ones Consumers, and determining a frequency-independent real part using a calculation rule based on the battery voltage values (U) and the battery current values (I).

Method according to claim 1, - Wherein the measuring is performed without the battery to stimulate or impose an excitation signal.

Method according to one of the preceding claims, - The calculation rule is based on an equivalent circuit diagram of the battery.

Method according to one of the preceding claims, - wherein at least the following parameters enter into the calculation specification: - battery model inductance (L), - battery model capacity (C _x ), - parasitic resistance of the battery capacity (R _x ).

Method according to one of the preceding claims, - wherein at least the battery voltage values (U), the battery current values (I), first and second time derivatives of the battery voltage values (U) and first, second and third time derivatives of the battery current values (I) are included in the calculation specification.

Method according to claims 4 and 5, - wherein the calculation rule is given by the following formula:

Method according to one of the preceding claims, Wherein the calculation rule specifies that the real part is to be determined as the slope of a straight line which approximates points in a two-dimensional coordinate system with an X-axis and a Y-axis, wherein the calculation rule applies plotted terms on the X-axis and on the Y-axis. Axis indicates.

Method according to claims 4, 5 and 7, - wherein the calculation rule indicates that on the X-axis the term

is plotted and on the y-axis the term

is applied.

is plotted and on the y-axis the term

is applied.

Method according to one of claims 7 to 9, - wherein the calculation rule indicates that at least two different regression methods are used to determine a respective real part, wherein a distance between the real parts represents a measure of the quality of the calculation.

Method according to one of claims 7 to 10, - wherein the calculation rule indicates that the real part is calculated according to the following formula: where

X _i are values of the term plotted on the x-axis at time t _i , - y _i are values of the term plotted on the y-axis at time t _i , and - Dx _i and Dy _{i are} parameters.

Method according to one of the preceding claims, - wherein the calculation rule indicates that the real part is calculated at each measurement time as a quotient of a first term and a second term.

The method of claim 12, wherein the calculation rule specifies that the first term

is and the second term

reads.

Method according to one of the preceding claims, - The battery is a lead-acid battery.

Method according to one of the preceding claims, Wherein the battery voltage values (U) and / or the battery current values (I) are used filtered or unfiltered.