EP1834187A1 - Verfahren zur bestimmung des innenwiderstandes einer batterie - Google Patents

Verfahren zur bestimmung des innenwiderstandes einer batterie

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EP1834187A1
EP1834187A1 EP05811045A EP05811045A EP1834187A1 EP 1834187 A1 EP1834187 A1 EP 1834187A1 EP 05811045 A EP05811045 A EP 05811045A EP 05811045 A EP05811045 A EP 05811045A EP 1834187 A1 EP1834187 A1 EP 1834187A1
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EP
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internal resistance
battery
current
determining
voltage
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Bernd Frey
Burkhard Iske
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Robert Bosch GmbH
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    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G01R31/3828—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC using current integration
    • G—PHYSICS
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    • G01R31/389—Measuring internal impedance, internal conductance or related variables

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the internal resistance of a battery, in particular a lead-acid battery for a motor vehicle electrical system according to the term of claim 1 O.
  • Battery in particular a vehicle battery can be determined continuously.
  • a measure of the performance of a battery is its internal resistance.
  • a fully functional battery has a smaller internal resistance than an aged battery, which is not very powerful anymore. Since it is known that the internal resistance of a battery is a measure of their performance, there are already proposals for how the internal resistance of a battery can be determined and how it is concluded on the functioning of the battery.
  • a method and a device for determining the internal resistance of a battery is known, for example, from DE 102 08 020 A1. at This known method, the internal resistance of a vehicle battery is determined by quotient formation of a voltage change in proportion to a change in current at a vehicle electrical system excitation. Under vehicle excitation, for example, the connection or disconnection of a strong electrical load is called, which causes voltage fluctuations.
  • the inventive method for determining the internal resistance of a battery, in particular a vehicle battery, with the features of claim 1, however, has the advantage of being very simple and reliable to work. These advantages are achieved by using a control algorithm that outputs the internal resistance of the battery as an output variable. This eliminates the need for different modules, filtering and dependencies, thus facilitating systematic safeguarding of functionality in all operating cases.
  • control algorithm does not require a calculation of the quality or significance of voltage edges since it does not need the quality as an input variable. Since the adaptation speed is not defined by thresholds, but implicitly determined by the time constant of the controller, a particularly simple adaptation is possible. Neither a final filtering of the determined internal resistance nor a filtering of current and voltage values for the final release must be carried out.
  • the advantageous device according to the invention for carrying out the method for determining the internal resistance of a battery comprises a controller structure, which is distinguished from the prior art by a reduction in modules, as a result of which the computing time is shortened in an advantageous manner.
  • the functionality of the system is guaranteed for all operating cases.
  • the inventive device for carrying out the method for determining the internal resistance of a battery 1 is shown in the single figure as a block diagram and comprises in detail a block 10 for the ⁇ U calculation, a block 11 for current reconstruction, a subtractor 12, a block 13 for multiplication or , - A -
  • a controller 14 and optionally an absolute value generator 15 and a low pass 16 The individual blocks are connected to each other as shown in the block diagram in connection.
  • the following quantities are supplied: the current voltage value U (t), a differential value for the measuring current ⁇ IM and a value ⁇ 1 / ⁇ IM.
  • the size 1 / Ri can be tapped.
  • the low pass 16 is the quality of 1 / Ri as
  • the implementation of the illustrated device may be circuit technology or as part of a digital circuit, in particular a computer.
  • a voltage difference ⁇ U is formed from the difference between a current voltage measured value U (t) measured with a voltmeter not described in detail and a voltage value U (t-n) measured in the past.
  • ⁇ U the following applies:
  • This voltage difference ⁇ U is multiplied by the reciprocal of an assumed internal battery resistance 1 / Ri and results in a calculated value for the current difference ⁇ IC belonging to the time range. It applies here:
  • This calculated value of ⁇ IC is compared with the actually measured value ⁇ IM, measured, for example, by means of a current sensor, to form the current difference ⁇ ID. It applies here:
  • ID IM - IC
  • the value obtained for ID is given as a control deviation to a controller 14, for example an integrator.
  • the output of the integrator which corresponds to the reciprocal of the internal resistance 1 / Ri, is in turn used as an input for the calculation of the following ⁇ IC or for the following current reconstruction. In this way, the respective reciprocal of the internal resistance 1 / Ri will be set at the output of the controller 24.
  • a measure of the quality of the internal resistance determination can be calculated by the normalized value of ID, which corresponds to the percentage error of the reciprocal of the internal resistance, is first signed and is processed in the absolute value generator 15.
  • a subsequent Tiefpassf ⁇ ltêt in the low pass 16 is advantageous and gives at the output of the low pass directly a measure G for the quality of 1 / Ri. This calculation is optional and is not necessary for the determination of Ri.
  • the procedure performed has the advantage that it manages with very few simple arithmetic operations and requires only one division for normalization.
  • the method has been described for the evaluation of a current voltage value and a current difference. If the current and voltage are interchanged and a value I (t) instead of U (t) and ⁇ UM processed instead of the ⁇ IM and the associated calculations are adjusted accordingly, the output value of the controller 14 provides the internal resistance Ri directly instead of the reciprocal of the internal resistance 1 / Ri the battery 1. As the battery 1 are all eligible charge storage, whose performance is related to the internal resistance to look at. Based on the determined internal resistance can be concluded on the functionality or storage capacity or the state of charge of the battery.

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung des Innenwiderstandes einer Batterie, insbesondere einer Blei-Säure-Fahrzeugbatterie sowie eine zugehörige Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren beschrieben, bei dem aus gemessenen Werten für die Spannung und den Strom jeweils Differenzwerte gebildet werden und diese Differenzwerte mit Hilfe eines Reglers, beispielsweise eines Integrators oder eines PID-Reglers verarbeitet werden. Dabei entsteht am Ausgang des Reglers ein Signal, das dem Kehrwert des Innenwiderstandes der Batterie entspricht. Dieses Signal wird bei jedem nachfolgenden Rechengang wieder berücksichtigt. Aus dem Innenwiderstand der Batterie kann auf ihre Funktionsfähigkeit geschlossen werden.

Description

Verfahren zur Bestimmung des Innenwiderstandes einer Batterie
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Innenwiderstandes einer Batte- rie, insbesondere einer Blei-Säure-Batterie für ein Kraftfahrzeugbordnetz nach dem O- berbegriff des Anspruchs 1.
In Fahrzeugen basieren zunehmend sicherheitsrelevante Funktionen auf elektrisch betriebenen Komponenten. Es ist daher wesentlich, sicherzustellen, dass diese Komponenten jederzeit mit genügend elektrischer Energie versorgt werden können, so dass ihre Funktionsfähigkeit sichergestellt ist. Als Lieferanten für die elektrische Energie stehen im Fahrzeug der Generator und die Batterie zur Verfügung, wobei es die Aufgabe der Batterie ist, kurzzeitige Belastungen auszugleichen. Damit sie in der Lage ist, diese Aufgabe zu erfüllen, ist es notwendig, jederzeit Aussagen über ihre Leistungsfähigkeit treffen zu können. Es gibt daher bereits eine Vielzahl von Vorschlägen, wie die Leistungsfähigkeit einer
Batterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie laufend ermittelt werden kann.
Ein Maß für die Leistungsfähigkeit einer Batterie ist ihr Innenwiderstand. Eine voll funktionsfähige Batterie hat einen kleineren Innenwiderstand als eine gealterte Batterie, die nicht mehr sehr leistungsfähig ist. Da bekannt ist, dass der Innenwiderstand einer Batterie ein Maß ist für deren Leistungsfähigkeit gibt es bereits Vorschläge, wie der Innenwiderstand einer Batterie ermittelt werden kann und wie daraus auf die Funktionsfähigkeit der Batterie geschlossen wird. Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Innenwiderstandes einer Batterie ist beispielsweise aus der DE 102 08 020 Al bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird der Innenwiderstand einer Fahrzeugbatterie mittels Quotientenbildung aus einer Spannungsänderung im Verhältnis zu einer Stromänderung bei einer Bordnetzanregung bestimmt. Unter Bordnetzanregung wird dabei beispielsweise die Zu- oder Abschaltung eines starken elektrischen Verbrauchers bezeichnet, die Span- nungsschwankungen verursacht. Bei dem bekannten Verfahren ist erforderlich, sowohl den fließenden Strom als auch die Spannung laufend zu messen. Da die Güte des bestimmten Innenwiderstandes sehr stark von der Höhe der Bordnetzanregung abhängt, sind ergänzende Verfahren notwendig, die die Güte bzw. Wertigkeit des jeweils aktuell ermittelten Innenwiderstandes über die Amplitude bzw. die Leistung der Bordnetzanregung bestimmen und in einer nachgeschalteten Filterung berücksichtigen.
Da bei dem bekannten Verfahren der Ermittlung des Innenwiderstandes einer Batterie abhängig von Strom- und Spannungsschwankungen erfolgt und dabei erhebliche Schwierigkeiten auftreten können, wird vorgeschlagen, für das Strom- und Spannungssignal zu- sätzlich mehrere parallel Filter mit unterschiedlichen Zeitkonstanten einzusetzen. Dabei werden die Ausgangswerte bewertet und letztendlich für die Freigabe des aktuell ermittelten Innenwiderstandes genutzt. Die erforderlichen Fallunterscheidungen und Abhängigkeiten der einzelnen eingesetzten Module untereinander erschweren eine systematische Analyse des Gesamtsystems und der Gesamtfunktionalität in allen Betriebsfällen.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Innenwiderstandes einer Batterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat dagegen den Vorteil, sehr einfach und zuverlässig zu arbeiten. Erzielt werden diese Vorteile, indem ein Regelalgorithmus eingesetzt wird, der den Innenwiderstand der Batterie als Ausgangsgröße ausgibt. Dadurch entfallen die verschiedenen Module, Filterungen und Abhängigkeiten und erleichtern damit eine systematische Absicherung der Funktionalität in allen Betriebsfällen.
Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt. Sehr vorteilhaft ist, dass mit dem eingesetzten Regelalgorithmus auch sehr kurze Flanken, insbesondere Spannungsflanken, die beispielsweise beim Zu- oder Abschalten von Verbrauchern auftreten, ausgewertet werden können. Die Güte des ermittelten Innenwiderstandes ist dabei zwar umso besser, je größer die Amplitude der ausgewerteten Flanken ist, durch den vorteilhaften Regelalgorithmus wird dieser Einfluss jedoch automatisch ausgeglichen, wodurch eine Verbesserung der Zuverlässigkeit des er- findungsgemäßen Verfahrens erzielt wird.
Von Vorteil ist auch, dass der Regelalgorithmus keine Berechnung der Güte bzw. Wertigkeit von Spannungsflanken erfordert, da er die Güte nicht als Eingangsgröße benötigt. Da die Adaptionsgeschwindigkeit nicht über Schwellen fest definiert ist, sondern implizit über die Zeitkonstante des Reglers festgelegt wird, ist eine besonders einfache Adaption möglich. Es muss dabei weder eine abschließende Filterung des ermittelten Innenwiderstand noch eine Filterung von Strom- und Spannungswerten für die letztendliche Freigabe durchgeführt werden.
Die vorteilhafte erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren zur Be- Stimmung des Innenwiderstandes einer Batterie umfasst eine Reglerstruktur, die sich gegenüber dem Stand der Technik durch eine Reduktion an Modulen auszeichnet, wodurch sich die Rechenzeit in vorteilhafter Weise verkürzt. Die Funktionsfähigkeit des Systems ist für alle Betriebsfälle gewährleistet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Maß für die Güte bzw. Varianz der
Innenwiderstandsbestimmung mittels weniger zusätzlicher Elemente aus dem Gesamtsystem extrahiert werden.
Zeichnung
Ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung ist in der einzigen Figur dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Beschreibung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Durchführen der Verfahren zum Bestimmen des Innenwiderstandes einer Batterie 1 ist in der einzigen Figur als Blockschaltbild dargestellt und umfasst im Einzelnen einen Block 10 zur ΔU-Berechnung, einen Block 11 zur Stromrekonstruktion, einen Differenzbildner 12, einen Block 13 zur Multiplikation bzw. - A -
Division, einen Regler 14 sowie optional einen Betragsbildner 15 und einen Tiefpass 16. Die einzelnen Blöcke stehen miteinander wie im Blockschaltbild dargestellt in Verbindung. Als Messgrößen werden zugeführt: der aktuelle Spannungsmesswert U(t), ein Differenzwert für den Messstrom ΔIM sowie ein Wert ~ 1/ΔIM. Am Ausgang des Reglers ist die Größe 1/Ri abgreifbar. Am Ausgang des Tiefpasses 16 steht die Güte von 1/Ri als
Wert G zur Verfügung. Die Realisierung der dargestellten Vorrichtung kann schaltungstechnisch oder als Bestandteil einer Digitalschaltung, insbesondere eines Rechners erfolgen.
Zur Bestimmung des Innenwiderstandes der Batterie 1 wird zunächst eine Spannungsdifferenz ΔU aus der Differenz zwischen einem, mit einem nicht näher beschriebenen Spannungsmesser gemessenen aktuellen Spannungsmesswert U(t) und einem in der Vergangenheit gemessenen Spannungswert U(t-n) gebildet. Bei dem in der Vergangenheit gemessenen Spannungswert handelt es sich bspw. um den vorherigen Messwert, es gilt dann n = 1. Für die Spannungsdifferenz ΔU gilt dabei:
ΔU = U(t-n) - U(t)
Diese Spannungsdifferenz ΔU wird mit dem Kehrwert eines angenommenen Batteriein- nenwiderstandes 1/Ri multipliziert und ergibt ein zu dem Zeitbereich gehörigen berechneten Wert für die Stromdifferenz ΔIC. Es gilt dabei:
ΔIC = ΔU * 1/Ri
Dieser berechnete Wert für ΔIC wird mit dem tatsächlich gemessenen Wert ΔIM, der beispielsweise mittels eines Stromsensors gemessen wird, verglichen, zur Bildung der Stromdifferenz ΔID . Es gilt dabei:
ΔIM = I(t-n) - I(t)
und:
ID = IM - IC Der erhaltene Wert für ID wird als Regelabweichung auf einen Regler 14, beispielsweise einen Integrator gegeben. Der Ausgang des Integrators, der dem Kehrwert des Innenwiderstandes 1/Ri entspricht wird wiederum als Eingang für die Berechnung des folgenden ΔIC bzw. für die folgende Stromrekonstruktion benutzt. Auf diese Weise wird sich am Ausgang des Reglers 24 der jeweilige Kehrwert des Innenwiderstandes 1/Ri einstellen.
Um die Regelung unabhängig von der aktuellen Anregungsamplitude, also beispielsweise unabhängig von einer auszuwertenden Spannungsschwankung zu realisieren, ist es vorteilhaft, den Wert ID, der dem prozentualen Fehler des Kehrwertes des Innenwiderstan- des entspricht, vor der Zuführung auf den Regler zu normieren und somit eine normierte
Stromdifferenz IND zu erhalten. Damit ist sichergestellt, dass keine Auswirkungen von der Anregungsflanke auf das Ergebnis wirken. Die Normierung erfolgt im Block 13.
Ein Maß für die Güte der Innenwiderstandsbestimmung lässt sich berechnen, indem der normierte Wert von ID, der dem prozentualen Fehler des Kehrwertes des Innenwiderstandes entspricht, zunächst vorzeichenbereinigt wird und im Betragsbildner 15 verarbeitet wird. Eine anschließende Tiefpassfϊlterung im Tiefpass 16 ist vorteilhaft und ergibt am Ausgang des Tiefpasses direkt ein Maß G für die Güte von 1/Ri. Diese Berechnung erfolgt optional und ist für die Bestimmung von Ri nicht unbedingt nötig.
Das durchgeführte Verfahren hat den Vorteil, dass es mit sehr wenigen einfachen Rechenoperationen auskommt und lediglich eine Division für die Normierung benötigt. Das Verfahren wurde beschrieben für die Auswertung eines aktuellen Spannungswertes und einer Stromdifferenz. Werden Strom und Spannung vertauscht und ein Wert I(t) anstelle von U(t) und ΔUM anstelle vom ΔIM verarbeitet und werden die zugehörigen Berechnungen entsprechend angepasst, liefert der Ausgangswert des Reglers 14 anstelle des Kehrwertes des Innenwiderstandes 1/Ri direkt den Innenwiderstand Ri der Batterie 1. Als Batterie 1 sind alle in Frage kommenden Ladungsspeicher, deren Leistungsfähigkeit mit dem Innenwiderstand in Beziehung steht, anzusehen. Ausgehend vom ermittelten Innen- widerstand kann auf die Funktionsfähigkeit bzw. Speicherfähigkeit oder den Ladezustand der Batterie geschlossen werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung des Innenwiderstandes einer Batterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie, wobei der Strom und die Spannung gemessen wird und ausgehend von gemessenen Strom- und Spannungswerten eine Auswertung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt eine Spannungsdifferenz ΔU berechnet wird, dass in einem zweiten Schritt eine Stromrekonstruktion AI aus der berechneten Spannung AU und dem Kehrwert des Innenwiderstandes erfolgt, dass in einem dritten Schritt die Stromdifferenz ID zwischen der berechneten Stromrekonstruktion AI und der aus gemessenen Strömen ermittelten Stromdifferenz AIM gebildet wird, dass in einem vierten Schritt die Stromdifferenz ID normiert wird und der normierte Strom
IND einem Regler zugeführt wird, an dessen Ausgang der Kehrwert für den Innenwiderstand der Batterie entsteht.
2. Verfahren zur Bestimmung des Innenwiderstandes einer Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der am Ausgang des Reglers anstehende Kehrwert für den Innenwiderstand bei der folgenden Stromrekonstruktion mitberücksichtigt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler als In- tegrator oder als PID-Regler arbeitet.
4. Verfahren zur Bestimmung des Innenwiderstandes einer Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der normierte Strom IND einem Betragsbildner zugeführt wird und der erhaltene Betrag für IND mittels eines Tiefpasses geglättet wird, wobei am Ausgang des Tiefpasses ein Signal entsteht, dass der Güte G des Kehrwertes des Innenwiderstands der Batterie entspricht.
5. Vorrichtung zur Bestimmung des Innenwiderstandes einer Fahrzeugbatterie unter Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens einen Block 10 zur Berechnung der Spannungsdifferenz ΔU, einen Block 11 zur Stromrekonstruktion , einen Differenzbildner 12, eine Multiplikations- oder Divisionsenrichtung 13 und einen Regler 14 umfasst.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Betragsbildner 15 und ein Tiefpass 16 vorhanden sind, wobei dem Betragsbildner der normierte Wert IND zugeführt wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler 14 ein PID-Regler oder ein Integrator ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie Bestandteil einer Schaltung oder eines Rechners, insbesondere eines Steuergerätes in einem Fahrzeug ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Ermittlung des Innenwiderstandes einer Blei-Säurebatterie eingesetzt wird und aus dem ermittelten Innenwiderstand auf die Funktionsfähigkeit der Batterie geschlossen wird.
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