DE102005029890A1

DE102005029890A1 - Zustandserkennung für mehrere in Serie geschaltete Batteriezellen

Info

Publication number: DE102005029890A1
Application number: DE102005029890A
Authority: DE
Inventors: Christoph Wenger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-06-27
Filing date: 2005-06-27
Publication date: 2007-01-04

Abstract

Die Erfindung betrfft ein Verfahren zum Bestimmen einer Batteriegröße (SOC, SOH, R¶i¶, U¶c¶) insbesondere des Ladezustands oder des Alterungszustands einer Batterie (1) mit Hilfe eines Auswertemittels, insbesondere eines mathematischen Modells (6). Einzelne Zellen (1a-1n) bzw. Gruppen von Zellen (1a-1n) können individuell diagnostiziert werden, wenn die an der Zellengruppe abfallende Spannung (U) gemessen und dem Batteriemodell (6) zugeführt wird, das Batteriemodell (6) auf Basis der gemessenen Spannung (U) einen Anfangswert (SOC¶o¶, SOH¶o¶) der Batteriegröße (SOC, SOH) bestimmt und den weiteren Verlauf der Batteriegröße (SOC,SOH) aus dem Anfangswert (SOC¶o¶, SOH¶o¶) unter Berücksichtigung des Batteriestroms (l(t)) berechnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer elektrischen Batteriegröße, insbesondere einer Fahrzeugbatterie, mit Hilfe eines Auswertemittels, insbesondere eines mathematischen Modells gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine entsprechende Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.

Fahrzeugbatterien bzw. Ladungsspeicher oder Akkumulatoren, wie sie z.B. in Hybrid-Fahrzeugen eingesetzt werden, als auch herkömmliche Starterbatterien umfassen eine Vielzahl von seriell verschalteten Einzelzellen. Im Falle einer Blei/Säure-Batterie mit einer Nennspannung von 12V werden beispielsweise sechs Einzelzellen, die jeweils etwa 2V Spannung erzeugen verwendet, um eine Gesamtspannung von 12V zu erhalten.

Zur Diagnose der Fahrzeugbatterien ist es bekannt, so genannte Batteriezustandserkennungseinrichtungen (BZE) einzusetzen, die aus kontinuierlich gemessenen Batterie-Betriebsgrößen, nämlich der Batteriespannung, dem Batteriestrom oder der Batterietemperatur eine Batterie-Zustandsgröße, wie z. B. den Ladezustand oder die Leistungsfähigkeit der Batterie bestimmen. Bei einer BZE handelt es sich i. d. R. um einen in einem Steuergerät hinterlegten Algorithmus (mathematisches Modell), der die gemessenen Betriebsgrößen auswertet und daraus die gewünschte Batteriegröße berechnet. Zur Abschätzung des Ladezustands wird z. B. die Impulsantwort der Batterie auf einen Stromimpuls ausgewertet.

Bei der Bestimmung des Ladezustands wird meist nur das Verhalten der gesamten Batterie (Klemmenspannung, Klemmenstrom) betrachtet, nicht jedoch das Verhalten der Einzelzellen. Aufgrund von Herstellungstoleranzen oder unterschiedlichen Betriebsbedingungen (z.B. unterschiedlichen Temperaturen, Alterung) unterscheiden sich die einzelnen Zellen einer Batterie in ihrem elektrischen Verhalten. Gleiches gilt natürlich auch für mehrere in Serie geschaltete (12V-) Akkumulatoren. Bei Betrieb der Batterie werden die Einzelzellen (bzw. Akkumulatoren) unterschiedlich stark belastet und unterschiedlich stark aufgeladen. Die „schwächste" der Einzelzellen ist dabei wegen der seriellen Verschaltung der Zellen für das Entladen und die „stärkste" für das Laden der Gesamtbatterie begrenzend.

Zur genauen Diagnose der Batterie (bzw. Batterieanordnung aus mehreren Akkumulatoren) ist es daher erforderlich, die an den Einzelzellen oder einer Gruppe von Einzelzellen abfallende Spannung zu messen. Dazu sind entsprechend viele Spannungs-Messkanäle erforderlich. Insbesondere bei Akkumulatoren von Hybridfahrzeugen, die oftmals mehr als 100 Einzelzellen umfassen, müssten in diesem Fall entsprechend viele Spannungs-Messkanäle realisiert werden. Dies ist jedoch relativ aufwändig und teuer.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Anzahl der notwendigen Spannungs-Messkanäle zu reduzieren.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 8 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, bei einer Batterieanordnung bestimmte Zellengruppen (die eine oder mehrere Einzelzellen umfassen können) zu definieren und die an den Zellengruppen abfallende Spannung sukzessive zu messen, aus den einzelnen Spannungs-Messwerten jeweils einen Anfangswert einer gesuchten Batteriegröße zu bestimmen (z.B. einen Anfangs-Ladezustand oder Anfangs-Innenwiderstand) und den weiteren Verlauf der Batteriegröße aus dem Anfangswert unter Berücksichtigung des Batteriestroms zu berechnen. Dies hat den Vorteil, dass im besten Fall nur ein einziger Messkanal notwendig ist, um eine bestimmte Batteriegröße für eine Vielzahl von Einzelzellen bzw. Zellengruppen zu ermitteln.

Unter einer Batteriegröße wird hier insbesondere eine Batterie-Zustandsgröße, wie z.B. der Ladezustand SOC, der. Alterungszustand (bzw. die Leistungsfähigkeit) SOH oder eine andere Zustandsgröße, sowie insbesondere der Innenwiderstand R_i oder eine beliebige andere Batteriegröße verstanden. Eine Zellengruppe kann erfindungsgemäß eine oder mehrere Einzelzellen umfassen.

Die Berechnung der elektrischen Batteriegröße wird vorzugsweise zyklisch neu gestartet, wobei die an der Zellengruppe abfallende Spannung neu gemessen und daraus ein neuer Anfangswert der Batteriegröße ermittelt wird. Eine einmalige Bestimmung eines Anfangswerts mit nachfolgender Integration des Betriebsstroms ist in der Regel nicht ausreichend, da z. B. der Ladezustand der Batterie nicht ausschließlich vom Batteriestrom, sondern auch von anderen Einflussgrößen abhängt. Die wiederholte Bestimmung des Anfangswerts ist daher notwendig, um eine Drift des berechneten Werts gegenüber dem tatsächlichen Istwert zu korrigieren.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Anfangswert für den Ladezustand SOC der Batterie ermittelt und zukünftige Werte des Ladezustands durch zeitliche Integration des Batteriestroms berechnet. Der Anfangswert wird vorzugsweise in regelmäßigen Abständen aus gemessenen Batterie-Betriebsgrößen neu bestimmt und die Integration von diesem Anfangswert aus neu gestartet.

Der Ladezustand SOC einer Gruppe von Zellen (bestehend aus einer oder mehreren Zellen) wird vorzugsweise gemäß folgender Gleichung berechnet: SOC(t) = SOC0 + ∫(I(t)/Q0·100)dt,wobei SOC₀ ein aus Messgrößen bestimmter Anfangswert des Ladezustands, I(t) der Batteriestromverlauf und Q₀ die Nennkapazität (Ah) der Batterie ist.

Aus dem so berechneten Ladezustand SOC(t) kann z.B. auch der Innenwiderstand R_i, eine innere Spannung U_c oder eine andere elektrische Batteriegröße ermittelt werden.

Für den Innenwiderstand R_i einer Zelle gilt beispielsweise: Ri = f(SOC, Temperatur, Alterung...)und für die Spannung U_c (siehe Ersatzschaltbild 2), Uc = f(SOC, Temperatur).

Der Innenwiderstand R_i oder die Spannung U_c können z.B. auch in Abhängigkeit vom Ladezustand SOC(t) aus einem Kennlinienfeld ermittelt werden, das z. B. in einem Steuergerät hinterlegt ist.

Mit der Bezeichnung Batterie sind erfindungsgemäß beliebige Ladungsspeicher bzw. Akkumulatoren mit mehreren Einzelzellen gemeint.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Anordnung zum Bestimmen einer Batteriegröße mit einem einzigen Spannungs-Messkanal;
2 ein einfaches Ersatzschaltbild einer Batteriezelle; und
3 die wesentlichen Verfahrensschritte zum Bestimmen des Ladezustands (SOC) einer Batterie in Form eines Flussdiagramms.
1 zeigt eine Messanordnung zum modellgestützten Bestimmen einer Batteriegröße, wie z.B. dem Ladezustand (SOC), der Leistungsfähigkeit (SOH), dem Innenwiderstand R_i oder einer anderen elektrischen Batteriegröße (z. B. U_c). Die Anordnung umfasst eine Batterie 1 aus mehreren seriell verschalteten Einzelzellen 1a–1n und eine Schalteinrichtung 2, mit der beliebige Zellengruppen (die eine oder mehrere Zellen 1a–1n umfassen können) zur Spannungsmessung ausgewählt werden können. (Die Elemente 1a–1n könnten alternativ auch einzelne Akkumulatoren sein, die jeweils mehrere Einzelzellen umfassen). Die Schalteinrichtung 2 umfasst im vorliegenden Beispiel zwei Schalter 4, die wahlweise mit den Abgriffen der Einzelzellen 1a–1n verbindbar sind. Die an der ausgewählten Zellengruppe abfallende Spannung ist mit U bezeichnet.
Die Anordnung umfasst ferner einen Stromsensor 3, der den durch die Batterie 1 fließenden Strom I misst. Ferner sind ein oder mehrere Temperatursensoren vorgesehen (nicht gezeigt), die die Batterietemperatur oder eine dazu proportionale Temperatur messen. Die Messung der Batterie-Betriebsgrößen Strom I und Temperatur T erfolgt vorzugsweise kontinuierlich, die Messung der Spannung U ist dagegen diskontinuierlich.
Die Anordnung umfasst außerdem ein Steuergerät 5, in dem ein Auswertemittel, insbesondere ein mathematisches Batteriemodell 6 hinterlegt ist, das die elektrischen und thermischen Eigenschaften der Batterie 1 nachbildet. Dieses Modell 6 wird üblicherweise auch als „Batteriezustandserkennung" bezeichnet und dient dazu, aus den gemessenen Batterie-Betriebsgrößen U, I, T verschiedene Batterie-Zustandsgrößen, wie z.B. den Ladezustand oder die Leistungsfähigkeit, sowie Modell-Zustandsgrößen (U_Ri, U_c) und Modell-Parameter (C_o, R_i) zu berechnen.
Das Batteriemodell 6 enthält im vorliegenden Fall nur die Parameter und Zustandsgrößen eines sehr einfachen Batterie-Ersatzschaltbildes, wie es in 2 dargestellt ist. Das Ersatzschaltbild (siehe 2) beschreibt die Batterie 1 bzw. eine Zelle 1x durch einen Innenwiderstand R_i und eine Kapazität C₀, wobei an den Elementen entsprechende Spannungen U_Ri bzw. U_c abfallen. Alternativ könnte das Modell 6 natürlich auch beliebig komplexer realisiert sein.
Die Funktion des Batteriemodells 6 wird im Folgenden anhand von 3 beispielhaft näher erläutert. In einem ersten Schritt 10 wird zunächst die an einer ersten Zelle (z.B. 1a) abfallende Spannung U gemessen. Die Schalter 4 der Schalteinrichtung 2 befinden sich dabei in einer entsprechenden ersten Stellung. Außerdem werden der Batteriestrom I und die Batterietemperatur T gemessen. Die Messgrößen U, I, T werden dem Steuergerät 5 zugeführt.
In Schritt 11 wertet das Batteriemodell 6 dann die Impulsantwort der Zelle 1a auf einen Stromimpuls aus und ermittelt daraus, basierend auf den Messgrößen, in bekannter Weise den aktuellen Ladezustand SOC₀. Die Schalteinrichtung 2 wird dann in Schritt 12 auf die nächste Zelle (z.B. 1b) umgeschaltet und wiederum die Impulsantwort ausgewertet (Schritt 15) und der Ladezustand SOC₀ ermittelt (Schritt 16). Dies wird sukzessive für alle Zellen 1a–1n durchgeführt. (Anstelle der Einzelzellen könnte man sich alternativ eine Reihe von Akkumulatoren vorstellen, die sukzessive diagnostiziert werden).
In den Messpausen, in denen die Zellenspannung U einer Zelle (z. B. 1a) gerade nicht gemessen wird, wird der Ladezustand SOC(t) der Zelle basierend auf dem Anfangswert SOC₀ und dem Integral über den Batteriestrom I(t) geschätzt. Dabei führt das Batteriemodell 6 folgende Berechnung durch: SOC(t) = SOC0 + ∫(I(t)/Q0·100)dt,wobei Q₀ die Nennkapazität der Batterie und I(t) der Batteriestrom ist. Durch die Integration des Betriebsstroms I kann der Ladezustand SOC einer beliebigen Zelle 1x (oder Zellengruppe) kontinuierlich bestimmt werden, ohne die Spannung U stetig messen zu müssen..
In Schritt 14 werden außerdem noch die Werte für R_i und U_c aus einem im Steuergerät 5 hinterlegten Kennlinienfeld in Abhängigkeit vom Ladezustand SOC(t) ausgelesen. Für den Innenwiderstand R_i und die Spannung U_c gilt: Ri = f(SOC, T, Alterung...)und Uc = f(SOC, T).
Zur Berechnung der Spannung U_c und des Innenwiderstands R_i kann beispielsweise folgende Gleichung angesetzt werden: dU = dUc + dI·Ri = (I·dt)/Co + dI·Ri
Aus zwei Gleichungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten ergeben sich daraus zwei Wertepaare für die Spannung U_c und den Innenwiderstand R_i, aus denen die beiden Werte U_c, R_i berechnet werden können.
Nach dem Messen des Ladezustands SOC_o für die letzte Zelle (1n) schaltet die Schalteinrichtung 2 zurück in die Anfangsposition und das Verfahren beginnt von neuem.
Voraussetzung für die Durchführung dieses Verfahrens ist insbesondere, dass die Integrationsdauer über den Batteriestrom I(t) ausreichend klein ist. Bei zu großen Intervallen zwischen zwei Messungen derselben Spannung U kann der berechnete Ladezustand SOC(t) relativ zum tatsächlichen Wert erheblich abweichen. Das maximal zulässige Wiederholungs-Intervall hängt von der Drift der einzelnen Größen, der Messgenauigkeit der Sensoren und der Genauigkeit des Batteriemodells 6 ab.
Zur Verbesserung des Rechenergebnisses bei sehr hoher Empfindlichkeit der geschätzten Batteriegröße kann beispielsweise die Umschaltfrequenz der Umschalteinrichtung 2 erhöht oder wahlweise auch mehrere, parallel arbeitende Spannungs-Messkanäle vorgesehen werden.

1: Batterie
1a–1n: Zellen
2: Umschalteinrichtung
3: Stromsensor
4: Schalter
5: Steuergerät
6: Auswertemittel, insbesondere mathematisches Batteriemodell
10–18: Verfahrensschritte
U: Zellenspannung
I: Batteriestrom
T: Batterietemperatur
SOC: Ladezustand
R_i: Innenwiderstand
U_c: Spannungsabfall an Hauptkapazität

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Batteriegröße (SOC, SOH, Ri, Uc), insbesondere des Lade- oder Alterungszustands einer Batterie (1), mit Hilfe eines Auswertemittels, insbesondere eines mathematischen Modells (6), dadurch gekennzeichnet, dass die an einer Zellengruppe (1a–1n) der Batterie 1 abfallende Spannung (U) und der Batteriestrom (I(t)) gemessen werden, das Auswertemittel, insbesondere das mathematische Modell (6) unter Berücksichtigung der gemessenen Spannung (U) einen Anfangswert (SOC₀, SOH₀, R_i0, U_C0) einer Batteriegröße bestimmt und den weiteren Verlauf der Batteriegröße (SOC, SOH, Ri, Uc) auf Basis des Anfangswerts (SOC₀, SOH₀, R_i0, U_C0) und des Batteriestroms (I(t)) berechnet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die berechnete Batteriegröße der Ladezustand (SOC), der Alterungszustand (SOH), der Innenwiderstand (Ri), ein interner Spannungsabfall (Uc) oder eine andere Größe ist, die eine elektrische Eigenschaft der Batterie (1) spezifiziert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anfangswert (SOC₀, SOH₀, R_i0, U_C0) in vorgegebenen Intervallen neu bestimmt und die Batteriegröße (SOC, SOH, Ri, Uc) ausgehend vom neuen Anfangswert (SOC₀, SOH₀, R_i0, U_C0) berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zellengruppe eine oder mehrere Zellen (1a–1n) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anfangswert (SOC₀) für den Ladezustand wenigstens einer Zelle (1a–1n) bestimmt und zukünftige Werte des Ladezustands (SOC) durch Integration des Batteriestroms (I(t)) berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladezustand (SOC) gemäß folgender Gleichung berechnet wird: SOC(t) = SOC0 + ∫(I(t)/Q0·100)dt,wobei SOC₀ ein Anfangswert ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem so berechneten Ladezustand (SOC(t)) der Innenwiderstand (Ri), ein innerer Spannungsabfall (Uc) oder eine andere elektrische Größe ermittelt wird.
Vorrichtung zum Bestimmen einer Batteriegröße (SOC, SOH, Ri, Uc), insbesondere des Lade- oder Alterungszustands einer Batterie (1), umfassend eine Recheneinrichtung (5), in der ein Auswertemittel, insbesondere ein mathematisches Batteriemodell (6) hinterlegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswertemittel, insbesondere das mathematische Modell (2) aus wenigstens einer gemessenen Batterie-Betriebsgröße (U,I,T) einen Anfangswert (SOC₀, SOH₀, R_i0, U_C0) einer Batteriegröße (SOC, SOH, Ri, Uc) bestimmt und den weiteren Verlauf der Batteriegröße (SOC, SOH, Ri, Uc) auf Basis des Anfangswerts (SOC₀, SOH₀, R_i0, U_C0) und des Batteriestroms (I(t)) berechnet.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der Recheneinrichtung (5) verbundene Schaltvorrichtung (2) vorgesehen ist, mittels der die Zellenspannung (U) verschiedener Zellengruppen (1a–1n) abgegriffen und der Recheneinrichtung zur weiteren Verarbeitung zugeführt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (5) eine Integration des Batteriestroms (I) durchführt..