Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustandes einer Batterie

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustandes einer Batterie, eine Batterie, die dazu ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen, sowie ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Batterie.

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustandes einer Batterie bekannt. Bei einem dieser bekannten Verfahren wird die Batteriezustandserkennung dadurch erreicht, dass die Spannung der nicht belasteten Batterie, auch OCV (open circuit voltage) genannt, gemessen wird. Teilweise wird diese zusätzlich mit der Spannung unter Belastung verglichen. Das Verfahren ist bei einer steilen Abhängigkeit des Ladezustandes von der Spannung der nicht belasteten Batterie relativ zuverlässig, ist aber ungeeignet bei Batteriesystemen, welche einen flachen derartigen Verlauf aufweisen, wie dies in Figur 1 am Beispiel einer Batterie auf Lithium-Eisen-Phosphat-Basis dargestellt ist.

Bei einem weiteren Verfahren zur Bestimmung des Ladezustandes einer Batterie wird ein durch die Batterie fließender Batteriestrom gemessen und über die Zeit integriert. Ein solches Verfahren wird zum Beispiel bei Batteriesystemen eingesetzt, welche während der Nichtnutzung vom Verbrauchernetz abgetrennt werden können. Ein solcher inaktiver Betriebszustand kann dann vorliegen, wenn eine übergeordnete Steuereinheit, beispielsweise eine Motorsteuereinheit in einem Kraftfahrzeug, ausgeschaltet ist. Muss vom Batteriesystem eine gewisse Ruhestromanforderung abgedeckt werden, kann in einem solchen inaktiven Betriebszustand der

Batterieelektronik die Batterie merklich entladen werden. Zur hinreichend genauen Ladezustandsbestimmung müsste eine die zeitliche Integration des Batteriestroms ausführende Komponente dauerhaft aktiv sein, was zu einer erhöhten Entladung der Batterie während des inaktiven Betriebszustandes führen würde.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustandes einer Batterie mit einer Batteriemanagementeinheit zur Verfügung gestellt. In einem ersten Betriebszustand der Batteriemanagementeinheit wird ein Batteriestrom durch die Batteriemanagementeinheit regelmäßig beziehungsweise kontinuierlich erfasst. Die l o Batteriemanagementeinheit wechselt in einen zweiten Betriebszustand, wenn der

Batteriestrom einen vorbestimmten Stromschwellenwert überschreitet. In dem zweiten Betriebszustand werden Informationen über den Ladezustand der Batterie gesammelt. Idealerweise wird der Ladezustand der Batterie vollständig bestimmt.

15 Unter dem Begriff Batteriemanagementeinheit fallen vor allem

Batteriemanagementsysteme, welche bei höherwertigen Batterien zum Beispiel für Traktionsnetze in Hybridfahrzeugen eingesetzt werden. Unter dem Begriff Batteriemanagementeinheit fallen jedoch auch Batteriesensorsysteme in bestimmten Batterien, welche beispielsweise bei Start-Stopp-Anwendungen in Kraftfahrzeugen

20 eingesetzt werden. Auch mit solchen Batteriesensorsystemen kann das

erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden, so lange sie dazu ausgelegt sind, Informationen über den Ladezustand der Batterie zu sammeln.

Das erfindungsgemäße Verfahren stellt einen Aktivierungsmechanismus der 25 Batteriemanagementeinheit dar. Im Unterschied zu bereits bekannten

Aktivierungsmechanismen, welche die Batteriemanagementeinheit durch ein über ein Kommunikationsprotokoll oder eine Hardware-Leitung gesendetes Aufwecksignal in einen aktiven Betriebszustand versetzen, sieht das erfindungsgemäße Verfahren einen Aufweckmechanismus vor, welcher batterieintern verläuft.

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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass die Entladung der Batterie in dem ersten Betriebszustand gering gehalten wird. Der erste Betriebszustand entspricht hierbei typischerweise einem inaktiven Betriebszustand, in welchem das

Batteriesystem nicht oder nur in geringem Maße genutzt wird, aber dennoch an das 35 Verbrauchernetz angeschlossen bleibt, entweder weil auf eine Trennung des Batteriesystems von dem Verbrauchernetz verzichtet wird oder weil eine solche nicht erforderlich ist, da die Systemspannung ausreichend niedrig ist.

In dem ersten Betriebszustand ist es normalerweise nicht erforderlich, Informationen über den Ladezustand der Batterie zu sammeln. Bevorzugt werden in dem ersten Betriebszustand zusätzlich zur Erfassung des Batteriestromes keine Funktionen ausgeübt. Somit ist der erste Betriebszustand der energiesparsamste Betriebszustand der Batteriemanagementeinheit.

In dem zweiten Betriebszustand können Informationen über den Ladezustand der Batterie gesammelt werden, indem der Batteriestrom über die Zeit integriert wird. Darüber hinaus kann jedoch der zweite Betriebszustand ebenfalls energiesparsam sein, indem mindestens eine Funktion der Batteriemanagementeinheit, welche die Batteriemanagementeinheit in einem dritten Betriebszustand, insbesondere in einem Vollbetriebszustand, ausüben kann, gesperrt wird. Beispielsweise kann die

Kommunikation zu einer der Batteriemanagementeinheit übergeordneten Steuereinheit im zweiten Betriebszustand unterbunden werden, während sie im Vollbetriebszustand aktiviert ist.

Die übergeordnete Steuereinheit kann jedoch die Batteriemanagementeinheit in den dritten Betriebszustand versetzen, insbesondere durch das Übersenden eines

Wecksignals. Dies kann beispielsweise auf einem Controller Area Network (CAN)-Bus erfolgen.

Die Batteriemanagementeinheit kann im ersten Betriebszustand mit einer niedrigeren Taktfrequenz betrieben werden als im zweiten Betriebszustand. Sogar kann die Elektronik bis auf eine kontinuierlich arbeitende, ungetaktete Schaltung, die den Batteriestrom auf Überschreitung eines Schwellwerts überwacht, deaktiviert bleiben. Ebenso kann sie im zweiten Betriebszustand mit einer niedrigeren Taktfrequenz betrieben werden als im dritten Betriebszustand, welcher normalerweise dem

Vollbetrieb entspricht.

Die Batteriemanagementeinheit kann von dem zweiten in den ersten Betriebszustand zurückwechseln, wenn der Batteriestrom den vorbestimmten Stromschwellenwert wiederum unterschreitet. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Batterie, bevorzugt eine

Lithium-Ionen-Batterie, welche eine Batteriemanagementeinheit mit einem

Stromsensor umfasst. Die Batteriemanagementeinheit ist dazu ausgebildet, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.

Bevorzugt ist, dass der Stromsensor ein passives Bauelement, insbesondere einen Shunt-Widerstand umfasst. Dies hat den Vorteil, dass die Batteriemanagementeinheit auch in dem ersten Betriebszustand mit geringem Strombedarf betrieben werden kann und die zur Ausführung des Verfahrens erforderlichen Strommessungen

energiesparsam ausgewertet werden können. Die Überwachung des Batteriestromes auf Überschreiten des vorbestimmten Stromschwellenwertes (beispielsweise 0,5 bis 2 A) kann beispielsweise durch einen Komparator erfolgen, welcher eine ausreichend geringe Stromaufnahme von einigen μΑ erfordert. Dabei ist der Strom sowohl in Entlade- als auch in Laderichtung zu überwachen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, welches die

erfindungsgemäße Batterie umfasst.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen Verlauf der Spannung einer nicht belasteten Batterie auf

Lithium-Eisen-Phosphat-Basis in Abhängigkeit des Ladezustandes der Batterie,

Figur 2 verschiedene Betriebszustände eines Kraftfahrzeugs,

Figur 3 verschiedene Betriebszustände einer Batteriemanagementeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Figur 4 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des Ladezustandes einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Figur 2 zeigt fünf mögliche Betriebszustände in einem nicht hybridisierten

Kraftfahrzeug, welches eine Batterie (Auto- oder Starterbatterie) umfasst. Ein erster Betriebszustand 10 entspricht einem Parkzustand des Kraftfahrzeugs, bei welchem die Batterie eine Ruhestromanforderung von typischerweise 10 bis 60 mA bei einer Standzeit von bis zu sechs Wochen abdecken muss.

Ein zweiter Betriebszustand des Kraftfahrzeugs 12 entspricht der Entladung der Batterie bei ausgeschalteter Zündung und damit auch ausgeschalteter übergeordneter Steuereinheit, beispielsweise Motorsteuereinheit, wobei Verbraucher wie

Innenraumbeleuchtung, Fahrzeugbeleuchtung, Warnblinker oder Radio einen Strom von einigen 100 mA bis mehreren A in einem Zeitraum von wenigen Minuten bis zu mehreren Stunden verbrauchen.

Ein dritter Betriebszustand des Kraftfahrzeugs 14 entspricht der Entladung der Batterie bei eingeschalteter Zündung oder anderweitig eingeschalteter übergeordneter

Steuereinheit, wobei ein Strom von einigen 100 mA bis mehreren A über wenige Sekunden bis mehreren Minuten fließen kann.

Ein vierter Betriebszustand des Kraftfahrzeugs 16 entspricht der Ladung der Batterie bei eingeschalteter Zündung und eingeschalteter übergeordneter Steuereinheit bei laufendem Verbrennungsmotor.

Ein fünfter Betriebszustand des Kraftfahrzeugs 18 entspricht schließlich der Ladung der Batterie bei ausgeschalteter Zündung und ausgeschalteter übergeordneter Steuereinheit, beispielsweise wenn die Ladung durch ein externes Ladegerät erfolgt.

Zwischen den einzelnen Betriebszuständen 10 bis 18 ist ein Wechsel jederzeit möglich (in Figur 2 nur schematisch dargestellt). Eine Bestimmung des Ladezustandes der Batterie ist gemäß dem Stand der Technik mit vertretbarem Energieverbrauch nur in den Betriebszuständen 14 und 16 möglich, da in diesen Zuständen die übergeordnete Steuereinheit eingeschaltet ist und sich das Kraftfahrzeug in keinem

Energiesparmodus befindet. Dagegen ist eine Bestimmung des Ladezustandes der Batterie mit aus dem Stand der Technik bekannten Batteriemanagementeinheiten in den Betriebszuständen 10, 12 und 18 nicht möglich, da diese eine Leistungsaufnahme von bis zu 20 W im Betrieb aufweisen und damit eine zu hohe Belastung der

Batteriekapazität verursachen. Figur 3 zeigt verschiedene Betriebszustände einer Batteriemanagementeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In einem ersten Betriebszustand der Batteriemanagementeinheit 20 befindet sich diese in einem Energiesparmodus. Es wird ein Batteriestrom gemessen und mit einem

Stromschwellenwert verglichen. Darüber hinaus führt die Batteriemanagementeinheit nur wenige oder gar keine Funktionen aus. Eine Kommunikation zur übergeordneten Steuereinheit wird unterdrückt.

In einem zweiten Betriebszustand der Batteriemanagementeinheit 22 befindet sich diese ebenso in einem Energiesparmodus. Der Batteriestrom wird gemessen und über die Zeit integriert, um den Ladungszustand der Batterie zu bestimmen. Darüber hinaus führt die Batteriemanagementeinheit nur wenige oder gar keine Funktionen aus.

Gegebenenfalls wird eine Batteriealterung berechnet. Auf eine Leistungsprädiktion wird verzichtet. Eine Kommunikation zur übergeordneten Steuereinheit wird auch hier unterdrückt.

Der erste oder zweite Betriebszustand der Batteriemanagementeinheit 20

beziehungsweise 22 wird eingenommen, wenn die übergeordnete Steuereinheit des Kraftfahrzeugs ausgeschaltet ist, also in einem der Betriebszustände 10, 12 und 18 des Kraftfahrzeugs. Wechselt das Kraftfahrzeug in einen der Betriebszustände 14 oder 16, in welchem die übergeordnete Steuereinheit eingeschaltet ist, kann diese die Batteriemanagementeinheit durch Aussendung eines Wecksignals auf einem

CAN-Bus, Local Interconnect Network (LIN)-Bus, anderweitig ausgeprägten Bussystem oder einer Hardware-Weckleitung, an welchem beziehungsweise an welcher beide

Komponenten angeschlossen sind, aufwecken und in einen dritten Betriebszustand 24 versetzen, welcher einem Vollbetriebsmodus entspricht. Auch eine Rückkehr vom dritten Betriebszustand 24 in den ersten oder zweiten Betriebszustand der

Batteriemanagementeinheit 20 beziehungsweise 22 ist möglich.

Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung eines Ladezustands einer Batterie. Das Verfahren startet in Schritt S10, wenn sich das Kraftfahrzeug in einem der Betriebszustände 10, 12 oder 18 befindet und somit die der Batterie übergeordnete Steuereinheit ausgeschaltet ist. Die

Batteriemanagementeinheit der Batterie befindet sich dabei in dem ersten Betriebszustand 20, in welchem die Batteriemanagementeinheit lediglich den

Batteriestrom erfasst (S1 1), darüber hinaus jedoch keine Funktionen ausübt.

Im Schritt S12 wird der erfasste Batteriestrom mit einem vorbestimmten

Stromschwellenwert verglichen. Wenn der erfasste Batteriestrom nicht größer als der vorbestimmte Stromschwellenwert ist, wird zum Beginn des Verfahrens in Schritt S11 zurückverzweigt, andernfalls wird im Schritt S13 in den zweiten Betriebszustand der Batteriemanagementeinheit 22 gewechselt, in welchem der Batteriestrom über die Zeit integriert wird, um dadurch den Ladezustand der Batterie zu bestimmen. Die

Batteriemanagementeinheit ist auch in ihrem zweiten Betriebszustand 22 im

Wesentlichen inaktiv, das heißt, sie bestimmt lediglich den Ladezustand der Batterie, führt aber weitere Funktionen nicht oder nur in geringem Umfang aus. Insbesondere ist eine Kommunikation mit der übergeordneten Steuereinheit in dem zweiten

Betriebszustand der Batteriemanagementeinheit 22 gesperrt, beziehungsweise kann lediglich durch die übergeordnete Steuereinheit selbst aufgenommen werden.

Im Schritt S14 wird der erfasste Batteriestrom mit dem vorbestimmten

Stromschwellenwert verglichen. Wenn der erfasste Batteriestrom nicht kleiner als der vorbestimmte Stromschwellenwert ist, wird weiterhin der Ladezustand der Batterie bestimmt (S13), andernfalls wird wieder in den ersten Betriebszustand der

Batteriemanagementeinheit 20 gewechselt (S11).

Der Fehler, welcher dadurch entsteht, dass in dem ersten Betriebszustand der Batteriemanagementeinheit 20 keine Bestimmung des Ladezustands erfolgt, kann durch die Dauer der Phase, in welcher sich die Batteriemanagementeinheit in dem ersten Betriebszustand 20 befindet, abgeschätzt werden, da der in diesem

Betriebszustand fließende Batteriestrom relativ konstant ist. Beispielsweise kann ein Maximalfehler als das Produkt von Stromschwellenwert und Dauer der genannten Phase berechnet werden.