DE102006035095B4

DE102006035095B4 - Verfahren und System zum Bestimmen des Ersatzwiderstandes eines Energiespeichers

Info

Publication number: DE102006035095B4
Application number: DE102006035095.2A
Authority: DE
Inventors: Mathias Büchel
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2006-07-28
Filing date: 2006-07-28
Publication date: 2019-03-21
Anticipated expiration: 2026-07-29
Also published as: DE102006035095A1; WO2008012124A3; WO2008012124A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Bestimmen des Ersatzwiderstandes eines Energiespeichers. Hierbei werden der zeitliche Verlauf von Strom I durch das Element und die über dem Element abfallende Spannung U, sowie die Temperatur ϑ des Elements Zelle messtechnisch erfasst. Der Ersatzwiderstand des Energiespeichers wird aufgrund der Energiebilanz in Bezug auf ein vereinfachtes Ersatzschaltbild ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Bestimmen des Ersatzwiderstandes eines Energiespeichers, insbesondere eines Energiespeichers für ein Hybridfahrzeug.
Bei Energiespeichern (elektrische Energie) für z.B. Hybridfahrzeuge im Automobil oder bei Straßenbahnen und Zügen ist eine permanente Überwachung und Diagnose des Energiespeichers, insbesondere der darin verbauten Zellen sicher zu stellen, um einen technisch einwandfreien und für Menschen gefahrlosen Betrieb zu gewährleisten.
Dazu ist es von entscheidender Bedeutung, den Ersatzwiderstand (ESR = Equivalent Series Resistance) der eingesetzten Zellen zu ermitteln und dessen Verlauf zu bewerten, da dieser Aufschluss über den Zustand und die Lebensdauer des Energiespeichers gibt.
Bisher wurde versucht über einen Lastsprung (Holland Methode) den ESR zu ermitteln. Diese Methode stellt jedoch sehr hohe Anforderungen an die zeitliche Auflösung der zu erfassenden Messwerte, so wie die Auswertung der Signale und liefert deshalb unzuverlässige Ergebnisse.
Eine weitere Möglichkeit den ESR zu bestimmen ist die Impedanzspektroskopie. Diese ist jedoch nur unter sehr großem Aufwand auf einem Steuergerät zu implementieren und wird deshalb vor allem im Labor und/oder in der Produktion eingesetzt.
Die Druckschrift DE 198 47 648 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung eines Lastzustands einer Batterie, wobei zur Berechnung eine erfasste Spannung hinsichtlich der Temperatur korrigiert wird, und ferner der Innenwiderstand ermittelt wird anhand eines gemessenen Innenwiderstands zuzüglich eines Korrekturfaktors.
Die Druckschrift DE 10 2004 063 431 A1 beschreibt ein Verfahren zur Ermittlung eines Innenwiderstands einer Batterie, wobei sich der Innenwiderstand ergibt aus dem Verhältnis von Temperaturdifferenzen zu Stromdifferenzen, wobei sowohl hinsichtlich Strom als auch hinsichtlich Spannung zeitlich integriert wird.
Die Druckschrift D3 betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Innenwiderstands, wobei Interpolationsgrößen verwendet werden, die keinen direkten physikalischen Bezug zur Batterie haben, wobei Strom, Spannungs- und Temperaturwerte als Stützpunkte zur Interpolation dienen.
Die Druckschrift DE 102 08 020 A1 betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Pufferwirkung einer Batterie, wobei Stromspannung gemessen werden und der Quotient aus Spannungsänderung zu Stromänderung die Grundlage für den Innenwiderstand bildet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Ersatzwiderstand eines Energiespeichers auf einfache Weise zu bestimmen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst.
Der Ersatzwiderstand des Energiespeichers wird hierbei aufgrund der Energiebilanz beim Laden und/oder Entladen des Energiespeichers bestimmt.
Vorteilhafter Weise wird der zeitliche Verlauf von Strom und Spannung, sowie Temperatur an der Zelle messtechnisch erfasst. Zusätzlich oder auch alternativ kann bei beliebiger Verschaltung solcher Energiespeicher (z.B. seriell oder parallel) die Gesamtspannung der Anordnung erfasst werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der schematischen Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild eines Energiespeichers,
2 ein Beispiel eines Stromverlaufs und Spannungsverlaufs in Abhängigkeit von der Zeit, und
3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems.

1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Elements, insbesondere eines Energiespeichers 1. Dieses weist eine Kapazität C und einen Ersatzwiderstand R_ESR auf.
Der zeitliche Verlauf von Strom I durch den Energiespeicher 1 und die über dem Energiespeicher 1 abfallende Spannung U_Cell , sowie die Temperatur 9 des Energiespeichers 1 werden messtechnisch erfasst. Zusätzlich oder alternativ kann bei beliebiger Verschaltung solcher Energiespeicher (z.B. seriell oder parallel) die Gesamtspannung der Anordnung erfasst werden. Bei dem Energiespeicher 1 kann es sich insbesondere um einen Lithium-Ionen- oder auch um einen Lithium-Polymer-Akkumulator handeln.
Die Energiebilanz bezüglich des vereinfachten Ersatzschaltbildes nach 1 lautet wie folgt: $E_{C e l l} = E_{C} + E_{E S R}$
wobei sich die Energie E_Cell des Energiespeicher 1 aus der Energie E_C des Kondensators C und der vom Ersatzwiderstand R_ESR aufgenommenen Energie E_ESR zusammensetzt.
Die Energie E_Cell die von dem Energiespeicher 1 aufgenommen wird ergibt sich gemäß: $E_{C e l l} = \int_{t_{0}}^{t_{1}} u_{C e l l} (t) \cdot i (t) d t$
wobei u_Cell (t) die über dem Energiespeicher 1 abfallende Spannung U_Cell als Funktion der Zeit ist und i(t) der in oder aus der Zelle fließende Strom I als Funktion der Zeit ist. Die Zeitpunkte t₀ und t₁ stellen den Beginn bzw. das Ende des Messintervalls dar.
Hierbei wird die Energie E_C vom Kondensator C aufgenommen: $E_{C} = \frac{1}{2} {C (U_{1}, ϑ) \cdot U_{1}^{2} - C (U_{0}, ϑ) U_{0}^{2}}$
wobei C(U₁ ,ϑ), C(U₀ ,ϑ) die Kapazität des Kondensators C als Funktion der Spannungen U₁ , U₀ und der Temperatur ϑ ist.
Die Energie E_ESR wird vom Ersatzwiderstand R_ESR aufgenommen: $E_{E S R} = R_{E S R} \int_{t_{0}}^{t_{1}} i^{2} (t) d t$
Ineinander eingesetzt und nach dem Ersatzwiderstand R_ESR aufgelöst ergibt sich folgende Gleichung: $R_{E S R} = \frac{\int_{t_{0}}^{t_{1}} u (t) \cdot i (t) d t - \frac{1}{2} {C (U_{1}, ϑ) \cdot U_{1}^{2} - C (U_{0}, ϑ) \cdot U_{0}^{2}}}{\int_{t_{0}}^{t_{1}} i^{2} (t) d t}$
Für die Messung der zum Einsetzen in die Formel (5) benötigten Werte ist es vorteilhaft, wenn bestimmte Vorraussetzungen erfüllt sind, die den Verlauf des Stroms I betreffen. Dies wird im Folgenden anhand des Ersatzschaltbildes nach 1 näher erläutert.
Je weniger Strom I durch den Energiespeicher 1 fließt, desto weniger Spannung U_ESR fällt auch an dem Ersatzwiderstand R_ESR ab. Dadurch ist die gemessene Spannung U_Cell ≈ U_C (U_Cell = U_C + U_ESR mit U_ESR -> 0, Einfluss von R_ESR wird verringert) .
Werden die Zeitpunkte t₀ und t₁ (vgl. 2), die den Beginn und das Ende eines für die Bestimmung des Ersatzwiderstands R_ESR geeigneten Messintervalls darstellen, günstig gewählt, z.B. bei I₀ < Trh₀ bzw. I₁ < Trh₁ (diese Schwellwerte Trh₀ und Trh₁ können auch gleich groß sein), so kann durch diese Maßnahme die Genauigkeit des Ergebnisses gegenüber einem beliebig gewählten Messintervall verbessert werden.
Wird das Messintervall entsprechend t₀ ' und t₁ ' gewählt, entsteht ein Spannungsabfall am Ersatzwiderstand R_ESR , der die Messung der gewünschten Größe U_C „verfälscht“ (U_Cell = U_C+U_ESR).
2 zeigt den Verlauf von Strom I und Spannung U an dem Energiespeicher 1 als Funktion der Zeit t. Zunächst wird der in den Energiespeicher fließende Strom I zum Zeitpunkt t₀ von Null auf einen maximalen Strom I_Max erhöht. Der Strom I_Max wird im Zeitpunkt t₀' erreicht. Anschließend wird der Strom I weitestgehend konstant auf dem maximalen Stromwert I_Max gehalten. Zum Zeitpunkt t₁' wird der Strom I dann wieder auf ungefähr Null reduziert. Der Wert Null wird im Zeitpunkt T1 erreicht. Zwischen den Zeitpunkten t₀ und t₁ wird der Energiespeicher aufgeladen. Die über dem Speicher abfallende Spannung U steigt während dieser Zeitspanne von U₀ auf U_Max an.
2 zeigt ein Beispiel für ein günstig (bei t₀ und t₁ ) und ein weniger günstig (bei t₀' und t₁') gewähltes Messintervall.
Für die Bestimmung der Energie E_C die am Kondensator C gespeichert wird ist es weiter vorteilhaft, wenn ein möglichst hoher Spannungsunterschied zwischen U₀ und U₁ durch einen Lade- bzw. Entladevorgang entsteht. Dies ist der Fall, wenn eine entsprechend große Ladungsdifferenz $Δ Q = \int_{t_{0}}^{t_{1}} i (t) d t$
entsteht.
Die optionale Messung der Gesamt- oder Teilspannung eines Energiespeichers, d.h. einer Reihen- und/oder Parallelschaltung mehrerer Energiespeicher 1, ermöglicht zusätzlich eine Bestimmung eines Gesamt- oder Teilwiderstandes, der wiederum zur Plausibilisierung der für die einzelnen Zellen ermittelten Werte für den Ersatzwiderstand R_ESR herangezogen werden kann.
Dieses Verfahren zur Bestimmung des Ersatzwiderstandes R_ESR bringt eine Vielzahl von Vorteilen mit sich. Zum einen wird durch eine zuverlässige Ermittlung des Ersatzwiderstands R_ESR eine Anpassung der Betriebsstrategie möglich, durch die eine möglichst lange Lebensdauer des Energiespeichers erreicht werden kann. Es können aufgrund des ermittelten Ersatzwiderstandes R_ESR die Lade- und Entladezyklen des Energiespeichers 1 angepasst werden. Weiter kann auch eine Last, insbesondere der Antriebsstrang eines Hybridfahrzeugs, in Abhängigkeit von dem ermittelten Ersatzwiderstand R_ESR gesteuert oder geregelt werden. Beispielsweise kann aufgrund des ermittelten Ersatzwiderstandes R_ESR von einem elektromotorischen Betrieb des Hybridfahrzeugs auf einen Betrieb über eine Brennkraftmaschine umgeschaltet werden. Weiter kann eine Last L, die bei einem Bremsvorgang als Generator betrieben wird und Bremsenergie zurückgewinnt, aufgrund des ermittelten Ersatzwiderstand R_ESR gesteuert werden.
Zum anderen kann rechtzeitig auf mögliche Gefahren durch den sich zu schnell erhöhenden Ersatzwiderstand R_ESR hingewiesen werden, wodurch die Diagnosefähigkeit verbessert wird. So kann bei erreichen eines maximal zulässigen Ersatzwiderstandes R_{ESR, Max} ein Fehler e in einen Fehlerspeicher E geschrieben werden (3).
Zur Bestimmung des Ersatzwiderstandes R_ESR sind keine weiteren Sensoren bzw. keine zusätzlichen Bauteile nötig. Es werden nur Signale verwendet die sowieso beim Betrieb eines Energiespeichers ermittelt werden (Zellspannungen, Strom und Temperatur) .
3 zeigt ein erfindungsgemäßes System. Dieses weist eine Recheneinheit RE mit drei Eingängen für den Strom I, die Spannung U_Cell und die Temperatur 9 des Energiespeichers 1 auf. Die Recheneinheit RE bestimmt aufgrund der Eingangsgrößen Strom I, Spannung U_Cell und der Temperatur 9 des Energiespeichers den Ersatzwiderstand R_ESR und übermittelt diesen an ein Steuergerät ST. Die Größen I, U_Cell und ϑ können in dem Steuergerät als zeitvariable Größen i(t), u(t) und ϑ(t) verarbeitet werden.
Das Steuergerät ST steuert und/oder regelt eine Last L über ein Steuersignal s. Dieses Steuersignal s ist von dem Ersatzwiderstand des Energiespeichers 1 abhängig. Das Steuersignal s kann auch von weiteren Parametern p, insbesondere den Betriebsparametern der Last oder einer Brennkraftmaschine, abhängig sein.
Übersteigt der ermittelte Ersatzwiderstand R_ESR einen vorbestimmten oder aufgrund von Parametern berechneten Schwellwert R_ESR,Max , so kann ein Fehler e in einen Fehlerspeicher E geschrieben werden.

Claims

Verfahren zum Bestimmen des Ersatzwiderstandes eines Energiespeichers, das die folgenden Verfahrensschritte aufweist: - Erfassen eines Stroms (I), der durch den Energiespeicher (1) fließt, - Erfassen der über dem Energiespeicher (1) abfallenden Spannung (U_Cell) , - Erfassen der Temperatur (ϑ) des Energiespeichers (1), und - Bestimmen des Ersatzwiderstandes (R_ESR) aufgrund des Stromes (I), der Spannung (U_Cell) und der Temperatur (ϑ), wobei der Ersatzwiderstand (R_ESR) aufgrund der folgenden Beziehung bestimmt wird: $R_{E S R} = \frac{\int_{t_{0}}^{t_{1}} u (t) \cdot i (t) d t - \frac{1}{2} {C (U_{1}, ϑ) \cdot U_{1}^{2} - C (U_{0}, ϑ) \cdot U_{0}^{2}}}{\int_{t_{0}}^{t_{1}} i^{2} (t) d t}$
mit u(t) - die über dem Energiespeicher (1) abfallende Spannung U_Cell als Funktion der Zeit (t), i(t) - der in oder aus der Zelle fließende Strom I als Funktion der Zeit (t), t₀ und t₁ - die Zeitpunkte, die den Beginn bzw. das Ende eines Messintervalls darstellen, C(U₁,ϑ) - die Kapazität (C) des Energiespeichers (1) als Funktion der Spannung (U₁) und der Temperatur (ϑ), und C(U₀,ϑ) - die Kapazität (C) des Energiespeichers (1) als Funktion der Spannung (U₀) und der Temperatur (ϑ).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Laden und/oder das Entladen des Energiespeichers aufgrund des Ersatzwiderstandes (R_ESR) gesteuert und/oder geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ermittelte Ersatzwiderstand (R_ERS) mit einem vorbestimmten Schwellwert (R_ESR,Max) verglichen wird und für den Fall, dass der ermittelte Ersatzwiderstand (R_ESR) diesen vorbestimmten Schwellwert (R_ESR,Max) überschreitet, ein Fehler (e) ausgegeben wird.
System zum Bestimmen des Ersatzwiderstandes eines Energiespeichers, wobei das System Mittel zum Erfassen - eines durch den Energiespeicher (1) fließenden Stromes (I), - einer über dem Energiespeicher (1) abfallenden Spannung und - einer Temperatur (ϑ) des Energiespeichers (1) aufweist, und wobei das System Mittel (RE) zum Bestimmen des Ersatzwiderstandes (R_ESR) aufgrund des Stromes (I), der Spannung (U_Cell) und der Temperatur (ϑ) aufweist, wobei die Mittel (RE) eingerichtet sind, so dass der Ersatzwiderstand (R_ESR) aufgrund der folgenden Beziehung bestimmt wird: $R_{E S R} = \frac{\int_{t_{0}}^{t_{1}} u (t) \cdot i (t) d t - \frac{1}{2} {C (U_{1}, ϑ) \cdot U_{1}^{2} - C (U_{0}, ϑ) \cdot U_{0}^{2}}}{\int_{t_{0}}^{t_{1}} i^{2} (t) d t}$
mit u(t) - die über dem Energiespeicher (1) abfallende Spannung U_Cell als Funktion der Zeit (t), i(t) - der in oder aus der Zelle fließende Strom I als Funktion der Zeit (t), t₀ und t₁ - die Zeitpunkte, die den Beginn bzw. das Ende eines Messintervalls darstellen, C(U₁,ϑ) - die Kapazität (C) des Energiespeichers (1) als Funktion der Spannung (U₁) und der Temperatur (ϑ), und C(U₀,ϑ) - die Kapazität (C) des Energiespeichers (1) als Funktion der Spannung (Uo) und der Temperatur (ϑ).
System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Steuereinheit (ST) aufweist, deren Eingangsgröße der Ersatzwiderstand (R_ESR) des Energiespeichers (1) ist.
System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (ST) eine Last (L), insbesondere einen Antriebsstrang eines Hybridfahrzeugs, steuert und/oder regelt.
System nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das System einen Fehlerspeicher (E) aufweist, in dem ein Fehler (e) gespeichert wird, wenn der Ersatzwiderstand (R_ERS) größer als ein vorbestimmter Schwellwert (R_ESR,Max) ist oder der Ersatzwiderstand (R_ERS) sich innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne um mehr als einen vorbestimmten Wert ändert.