DE102008034914A1

DE102008034914A1 - Verfahren zur Modellierung einer elektrischen Energiespeichereinrichtung

Info

Publication number: DE102008034914A1
Application number: DE102008034914A
Authority: DE
Inventors: Christoph Wanke; Miguel Carrasco
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2008-07-26
Filing date: 2008-07-26
Publication date: 2010-01-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von zumindest einer physikalischen Größe eines Ersatzschaltbildes einer elektrischen Energiespeichereinrichtung. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Energiespeichereinrichtung mit einem vorbestimmten Belastungsprofil beaufschlagt, die sich an den Anschlussklemmen der Energiespeichereinrichtung hieraufhin einstellende Klemmenspannung gemessen und die zumindest eine Größe in Abhängigkeit von der Spannungsantwort ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Modellierung einer elektrischen Energiespeichereinrichtung anhand der Bestimmung zumindest einer physikalischen Größe eines elektrischen Ersatzschaltbildes der Energiespeichereinrichtung. Als Batteriemodell im Sinne der Erfindung wird eine Beschreibung der Klemmenspannung der Energiespeichereinrichtung (bzw. die Beschreibung einer hiermit korrelierenden Größe) als Funktion des durch die Energiespeichereinrichtung fließenden Stroms und ggf. weiterer, die Energiespeichereinrichtung charakterisierender Größen (wie: Ladezustand, Temperatur, Kapazität, Technologie) verstanden.
Das dem Gegenstand der Erfindung zugrundeliegende Ersatzschaltbild umfasst zumindest eine, zwischen den Anschlusspolen der Energiespeichereinrichtung angeordnete, Serienschaltung von Urspannungsquelle, einer Induktivität (L) und eines Innenwiderstandes (Ri), vorzugsweise sind zwischen den Anschlusspolen der Energiespeichereinrichtung ferner ein oder mehrere (RC-)Parallelschaltungen eines ohmschem Widerstand und einer Kapazität der Serienschaltung aus Urspannungsquelle, Induktivität und Innenwiderstand in Serie nachgeschaltet.
Aus der einschlägigen Fachliteratur (z. B. Stephan Buller, Impedance-Based Simulation Models for Energy Storage Devices in Advanced Automotive Power Systems, Shaker Verlag, 2003) sind bereits hinlänglich so genannte RLC-Ersatzschaltungen von elektrischen Energiespeichereinrichtungen (wie z. B. Blei-Säure-Akkumulatoren, Doppelschichtkondensatoren, oder dergleichen) bekannt. Ferner ist es bekannt, das Verhalten realer (Energiespeicher-)Komponenten anhand eines mathematischen Modells nachzubilden und während des Betriebs der Energiespeichereinrichtung einzelne Größen (Modellgrößen und reale Messgrößen) miteinander zu vergleichen, und ggf. einzelne Parameter des Berechnungsmodells zu adaptieren. Derartige modellbasierte Verfahren sind bereits aus der WO 07/045673 und der WO 07/059725 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Modellierung einer elektrischen Energiespeichereinrichtung (insbesondere einer elektrischen Energiespeichereinrichtung in Form einer Bordnetzbatterie für ein Kraftfahrzeug) anzugeben, durch welches eine im Hinblick auf die Genauigkeit verbesserte Aussage über die Stabilität eines durch die Energiespeichereinrichtung gespeisten Netzes, insbesondere bei einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, erlaubt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, während in den Unteransprüchen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung angegeben sind.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine in einen elektrischen Stromkreis eingebundene Energiespeichereinrichtung mit einem vorbestimmten Belastungsprofil beaufschlagt, indem z. B. ein definierter Verbraucher zu- bzw. aufgeschaltet wird, und an den Anschlussklemmen der sich hieraufhin einstellende Spannungsverlauf (Spannungs- bzw. Sprungantwort) gemessen und ausgewertet wird. Im Rahmen der Auswertung wird in Abhängigkeit von der gemessenen Spannungs- bzw. Sprungantwort (im Folgenden als Spannungsantwort bezeichnet) zumindest eine physikalische Größe des Ersatzschaltbildes der zu modellierenden Energiespeichereinrichtung ermittelt. Die Verbesserung der Genauigkeit bei der Modellierung einer elektrischen Energiespeichereinrichtung beruht auf einer Modifikation der in der einschlägigen Fachliteratur bekannten RLC-Ersatzschaltbilder. Statt einer gewöhnlichen Kapazität mit der Differentialgleichung:
wird hier eine modifizierte Kapazität mit der Differentialgleichung:
verwendet. Die Modifikation der Differentialgleichung ermöglicht die Benutzung von variablen (hier: stromabhängigen) Kapazitätswerten, die das Verhalten von Batterien genauer beschreiben als konstante Kapazitätswerte.
Mit Vorteil werden/wird im Rahmen der Modellierung der elektrischen Energiespeichereinrichtung zumindest die innere Induktivität und/oder der Innenwiderstand der Energiespeichereinrichtung als physikalische Größen) aus der Spannungsantwort abgeleitet. Zusätzlich oder alternativ können/kann auch noch die innere Kapazität und/oder deren Parallelwiderstand in Abhängigkeit von der Spannungsantwort ermittelt werden. Dabei wird die Spannungsantwort mit Vorteil in zwei unterschiedlichen Zeitabschnitten ausgewertet, wobei in Abhängigkeit von dem Verhalten (zeitlicher Verlauf) der Spannungsantwort innerhalb des ersten vorbestimmten Zeitabschnitts (innerhalb der ersten Millisekunden ab dem Start des Belastungsprofil-Signals bzw. ab dem unmittelbar darauf folgenden Start der entsprechenden Spannungsantwort) die innere Induktivität und/oder der Innenwiderstand der Energiespeichereinrichtung ermittelt werden, und wobei innerhalb des sich an den ersten Zeitabschnitt anschließenden zweiten vorbestimmten Zeitabschnitts (innerhalb mehrerer 100 ms) die innere Kapazität und/oder deren Parallelwiderstand ermittelt werden/wird. Die Ermittlung der zumindest einen physikalischen Größe erfolgt vorzugsweise anhand herkömmlicher Optimierungsverfahren (z. B. anhand des sog. „least squares algorithm", Ake Björck, Numerical Methods for Least Squares Problems; SIAM, 1996, ISBN-13: 978-0-898713-60-2; oder anhand des sog. "Numerical Data Fitting in Dynamical Systems, A Practical Introduction with Applications and Software", Springer US, ISBN: 978-1-4020-1079-8)).
Das Belastungsprofil, zur gezielten Beaufschlagung der Energiespeichereinrichtung zur Generierung einer Spannungsantwort, wird insbesondere durch zumindest ein impuls- bzw. recheckförmiges Stromsignal gebildet. Mit Vorteil umfasst das Belastungsprofil eine Mehrzahl recheckförmiger Stromsignale, wobei diese im Hinblick auf Betrag und/oder Richtung (Vorzeichen) und/oder Impulsdauer unterschiedlich ausgebildet sein können. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Belastungsprofil durch den bei einem Startvorgang der Brennkraftmaschine entstehenden Anlasserstrom gebildet.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht ferner vor, eine oder mehrere (insbesondere versuchstechnisch ermittelte) Vergleichs-Spannungsantworten durch eine oder mehrere Kennlinien zu hinterlegen und die an den Anschlussklemmen der zu modellierenden Energiespeichereinrichtung generierte Spannungsantwort hiermit zu vergleichen, wobei in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis der Alterungszustand bzw. die Restlebensdauer der Energiespeichereinrichtung ermittelt wird. Mit Vorteil werden insgesamt zumindest zwei versuchstechnisch ermittelte Vergleichs-Spannungsantwort-Kennlinien in einem Steuergerät hinterlegt, eine Vergleichskennlinie, welche die Spannungsantwort einer nicht gealterten (neuen) Energiespeichereinrichtung abbildet, und die andere Vergleichskennlinie, welche die Spannungsantwort einer definiert gealterten (z. B. bis zu einer definierten Alterungsgrenze, bei der die Energiespeichereinrichtung ausgetauscht werden sollte) Energiespeichereinrichtung abbildet.
Mit Vorteil wird die gezielte Belastung der Energiespeichereinrichtung mit einem vorbestimmten Belastungsprofil während des (gesamten) Fahrzeugsbetriebs in einzelnen (zeitlich beabstandeten oder unmittelbar aufeinanderfolgenden) Zyklen wiederholt. Der Wert für die im Ersatzschaltbild vorhandene vorbestimmte Urspannungsquelle kann in zeitlichen Abständen überprüft und ggf. auf einen aktuelleren Wert geändert werden. Hierfür wird beispielsweise die Klemmenspannung der Energiespeichereinrichtung bei deaktiviertem Kraftfahrzeug, nach Ablauf einer vorbestimmten Ruhezeit, gemessen.
Des Weiteren umfasst die Erfindung eine Steuereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der vorstehenden Ansprüche sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Energiequelle und einer Steuereinrichtung wie vorstehend bezeichnet.
Die einzige Zeichnungsfigur, 1, zeigt das Ersatzschaltbild für eine elektrische Energiespeichereinrichtung, z. B. eines Kraftfahrzeugs, in einer möglichen Ausführungsform – sowie in einem darunter dargestellten Diagramm den zeitlichen Verlauf eines Belastungsprofils (unteres Diagramm) und die hierdurch generierte Spannungsantwort an den Klemmen der Energiespeichereinrichtung.
Gemäß 1 umfasst das Ersatzschaltbild der zu modellierenden Energiespeichereinrichtung zwischen zwei Klemmenanschlüssen KL1 und KL2 derselben eine Serienschaltung aus einer Urspannungsquelle U₀, einer inneren Induktivität Li, einem Innenwiderstand Ri und mehreren (kapazitiven) Parallelschaltungen von jeweils einer inneren Kapazität C1, C2, C3 mit jeweils einem parallel geschalteten ohm'schen Widerstand R1, R2, R3. Dabei können die Komponenten des Ersatzschaltbildes, mit Ausnahme der Urspannungsquelle U₀, einem induktiven Schaltungsteil ST_I und einem kapazitiven Schaltungsteil ST_C zugeordnet werden, wobei der induktive Schaltungsteil ST_I durch die innere Induktivität Li und den Innenwiderstand Ri gebildet ist, und der kapazitive Schaltungsteil ST_C durch die mindestens eine Parallelschaltung von Kondensator C (C1, C2, C3) und parallelem ohmschen Widerstand R (R1, R2, R3) gebildet wird. Diese Aufteilung findet sich im Wesentlichen auch in der auf das Belastungsprofil BP folgenden Spannungsantwort SA wieder. Dabei ist gut zu erkennen, dass innerhalb der ersten ca. 2 ms (abhängig von der Abtastfrequenz) (erster Zeitabschnitt T1) der steile Sprung (Stromabfall) des Belastungsprofilsignals einen ebenfalls relativ steilen anfänglichen Verlauf (Spannungsabfall) der Spannungsantwort zur Folge hat. Aus eben diesem, in einem zeitlich sehr kleinen Bereich stattfindenden Ereignis können die Komponenten (LI, Ri) des induktiven Schaltungsteils ST_I bestimmt werden. Aus dem weiteren zeitlichen Signalverlauf (zweiter Zeitabschnitt T2) der Spannungsantwort werden die Komponenten (C1, C2, C3; R1, R2, R3) des kapazitiven Schaltungsteils ST_C ermittelt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 07/045673 [0003]
- WO 07/059725 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Stephan Buller, Impedance-Based Simulation Models for Energy Storage Devices in Advanced Automotive Power Systems, Shaker Verlag, 2003 [0003]
- „least squares algorithm”, Ake Björck, Numerical Methods for Least Squares Problems; SIAM, 1996, ISBN-13: 978-0-898713-60-2 [0007]
- ”Numerical Data Fitting in Dynamical Systems, A Practical Introduction with Applications and Software”, Springer US, ISBN: 978-1-4020-1079-8 [0007]

Claims

Verfahren zur Bestimmung von zumindest einer Größe eines Ersatzschaltbildes einer elektrischen Energiespeichereinrichtung, umfassend folgende Verfahrensschritte: – Beaufschlagung der Energiespeichereinrichtung mit einem vorbestimmten Belastungsprofil, – messtechnische Erfassung der, durch die sich an den Anschlussklemmen (KL1, KL2) der Energiespeichereinrichtung einstellende Klemmenspannung generierten Sprungantwort (SA), – Bestimmung der zumindest einen Größe in Abhängigkeit von der Sprungantwort (SA).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Belastungsprofil (BP) aus einem impulsförmigen Stromsignal besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Belastungsprofil (BP) eine Mehrzahl impulsförmiger Stromsignale umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der Stromsignale im Hinblick auf Betrag und/oder Richtung und/oder Zeitdauer/Impulsdauer unterschiedlich ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Belastungsprofil (BP) durch den bei einem Startvorgang der Brennkraftmaschine entstehenden Anlasserstrom gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Bestimmung der zumindest einen Größe, zumindest zwei unterschiedliche Größen ermittelt werden, wobei eine erste Größe in Abhängigkeit eines ersten Zeitabschnittes (T1) der Sprungantwort (SA) ermittelt wird und eine zweite Größe in Abhängigkeit eines dem ersten Zeitabschnitt (T1) zeitlich nachfolgenden, zweiten Zeitabschnitt (T2) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass während des ersten Zeitabschnittes (T1) der Innenwiderstand (Ri) und/oder die innere Induktivität (Li) und während des zweiten Zeitabschnittes (T2) die innere Kapazität (C1; C2; C3) bzw. der Parallelwiderstand (R1; R2; R3) der inneren Kapazität (C1; C2; C3) der Energiespeichereinrichtung ermittelt wird/werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Bestimmung der zumindest einen physikalischen Größe generierte Sprungantwort (SA) mit zumindest einer in einer Kennlinie hinterlegten Vergleichssprungantwort verglichen wird und in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis der Alterungszustand bzw. die Restlebensdauer der Energiespeichereinrichtung ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die hinterlegte Vergleichssprungantwort die versuchstechnisch ermittelte Sprungantwort einer um ein vorbestimmtes Maß gealterten Energiespeichereinrichtung ist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die hinterlegte Vergleichssprungantwort die versuchstechnisch ermittelte Sprungantwort einer im Neuzustand befindlichen Energiespeichereinrichtung ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der zumindest einen physikalischen Größe zeitlich fortlaufend erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der zumindest einen bestimmten physikalischen Größe eine maximale Stopp-Zeitdauer für den Stoppzustand in einem Start-Stopp-Betrieb eines Kraftfahrzeugs ermittelt wird.
Steuereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Energiespeichereinrichtung, umfassend eine Steuereinrichtung gemäß Anspruch 13.