DE102009042192A1 - Method for estimating internal resistance and impedance value of battery, involves comparing estimated battery characteristics with actual battery characteristics - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Schätzung des Innenwiderstands- bzw. Impedanzwerts einer Batterie, bei dem ein Modell der Batterie, basierend auf einem elektrischen Ersatzschaltbild, zugrunde gelegt wird und die Parameter des Modells aus einem Wertespeicher entnommen werden, dessen Werte unter Zugrundelegung der tatsächlichen Batteriekennwerte für die jeweilige Batterie ermittelt sind. Der Wertespeicher ist in Form eines Kennfelds gegeben.The invention relates to a method for estimating the internal resistance or impedance value of a battery, in which a model of the battery based on an electrical equivalent circuit is used, and the parameters of the model are taken from a value memory, the values of which are based on the actual battery characteristics for each battery are determined. The value memory is given in the form of a map.
Die Leistungsfähigkeit elektro-chemischer Energiespeicher wird stark durch deren Innenwiderstandscharakteristik bestimmt. Ein kleiner Innenwiderstand der Batterie verursacht bei Stromfluss einen kleinen batterieinternen Spannungsabfall und deshalb wenig Verluste. Im Umkehrschluss sorgt eine hohe Batterieimpedanz für hohe Verluste und somit für eine geringe Leistungsfähigkeit der Batterie. Um eine verlässliche Aussage über die aktuelle Leistungsfähigkeit einer Batterie zu erhalten, muss somit die Impedanz bekannt sein.The performance of electro-chemical energy storage is strongly determined by their internal resistance characteristic. A small internal resistance of the battery causes a small battery-internal voltage drop during current flow and therefore little loss. Conversely, a high battery impedance causes high losses and thus low battery performance. In order to obtain a reliable statement about the current performance of a battery, the impedance must therefore be known.
Es hat sich gezeigt, dass sich das dynamische elektrische Verhalten von Batterien durch eine Kombination von Widerständen und RC-Gliedern hinreichend genau abbilden lässt. Typisch ist ein Modell bestehend aus einem Serienwiderstand R2 in Reihe mit einem RC-Glied (R1, C1), welches die transienten Anteile nachbilden soll. Ein derartiges Modell ist in
Die R- und C-Parameter, sind abhängig von verschiedenen Ist-Daten der Batterie (z. B. Temperatur, Ladezustand), als auslesbare, mehrdimensionale Kennfelder abgelegt. Die Kennfelder sollen dazu dienen, Aussagen zum tatsächlichen Innenwiderstand und damit der entnehmbaren Batterieleistung im gesamten erlaubten Betriebsbereich zu treffen.The R and C parameters are stored as readable, multi-dimensional maps depending on various actual data of the battery (eg temperature, state of charge). The maps are intended to provide information about the actual internal resistance and thus the removable battery power in the entire permitted operating range.
Im Laufe fortschreitender Batteriealterung können sich die Batterieimpedanzen signifikant vergrößern. So ist es nicht mehr möglich mit zu Beginn der Lebensdauer ermittelten Impedanzdaten eine Prognose für die Leistungsfähigkeit für eine gealterte Batterie abzugeben. Ein stark vergrößerter Innenwiderstand einer Batterie kann deren Leistungsfähigkeit so stark herabsetzen, dass sie nicht mehr für die Anwendung in z. B. Hydrid- oder Batteriefahrzeugen verwendet werden kann.As battery aging progresses, battery impedances can increase significantly. Thus, it is no longer possible to predict the performance of an aged battery with impedance data obtained at the beginning of the lifetime. A greatly increased internal resistance of a battery can reduce their performance so much that they are no longer suitable for use in z. B. hydride or battery vehicles can be used.
Bekannte Verfahren zur Bestimmung der Batterieimpedanz, dargelegt z. B. in
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine richtige Aussage über den aktuellen Innenwiderstand und damit eine realistische Prognose der von der Batterie maximal zur Verfügung gestellten Leistung auch für eine gealterte Batterie liefert.The invention is based on the object to provide a method of the type mentioned above, which provides a correct statement about the current internal resistance and thus a realistic forecast of the maximum power provided by the battery even for an aged battery.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den im Patentanspruch 1 angegeben Mitteln.The invention solves this problem with the means indicated in
Zu Beginn des Batterieeinsatzes wird eine Bedatung der im Wertespeicher enthaltenen Parameter-Werte, beispielsweise mit Hilfe von Messungen vorgenommen. Während des über mehrere Monate oder Jahre dauernden Einsatzes der Batterie werden die mit einem Schätzverfahren gewonnenen Batteriekennwerte ständig oder in vorgegebenen zeitlichen Abständen mit den initial bedateten Batteriekennwerten verglichen.At the beginning of the battery use, a parameterization of the parameter values contained in the value memory is carried out, for example with the aid of measurements. During the use of the battery, which lasts for several months or years, the battery characteristic values obtained by means of an estimation method are compared with the initially-fed battery parameters continuously or at predetermined time intervals.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich an Hand der nachfolgenden Erläuterungen von Ausführungsbeispielen.Advantageous embodiments of the invention will become apparent with reference to the following explanations of exemplary embodiments.
Tritt eine alterungsbedingte Abweichung der geschätzten Batteriekennwerte von den tatsächlichen Batteriekennwerten auf, ist dies ein Hinweis auf eine Verschlechterung der Batterie-Leistungsfähigkeit.If an age-related deviation of the estimated battery characteristics from the actual battery characteristics occurs, this is an indication of a deterioration in battery performance.
Als Maß für den Alterungseinfluss dient der jeweilige Korrekturwert für die aus dem Wertespeicher entnommenen Parameter-Werte. Der Korrekturwert ist so bemessen, dass die tatsächlichen Batteriekennwerte und auf der Basis der korrigierten Parameter-Werte geschätzten Batteriekennwerte übereinstimmen.The respective correction value for the parameter values taken from the value memory serves as a measure of the aging influence. The correction value is sized to match the actual battery characteristics and estimated battery characteristics based on the corrected parameter values.
Die Änderungen der Batterieimpedanzen können als Indikatoren zur Bestimmung des Alterungszustandes einer Batterie genutzt werden.The changes in battery impedance can be used as indicators to determine the aging condition of a battery.
Bisherige Erfahrungen haben gezeigt, dass sich Impeadanzparameter im Laufe der Alterung im gesamten Betriebsbereich (bei alle Temperaturen, über alle Ladezustände, usw.) ändern. In Fall von Widerstandswerten Rx der komplexen Batterieimpedanz ist es typisch, dass sich diese im gesamten Betriebsbereich erhöhen, bzw. sich die Zeitkonstanten der komplexen Batterieimpedanzen (τ = Rx*Cx) vergrößern. Werden die Impedanzkennfelder lediglich in den Betriebsbereichen stark nachgeführt, in denen sich die Batterie z. B. regional klimatisch oder systematisch bedingt häufig befindet, wird dieser Effekt der globalen Veränderung nicht erfasst.Previous experience has shown that impeadance parameters change over the entire operating range over the course of aging (at all temperatures, across all states of charge, etc.). In the case of resistance values Rx of the complex battery impedance, it is typical that these increase over the entire operating range, or increase the time constants of the complex battery impedance (τ = Rx * Cx). If the impedance maps only tracked strongly in the operating areas in which the battery z. If, for example, regional climatic or systemic conditions often occur, this effect of global change is not recorded.
Falls der Wertespeicher (Kennfeld) aus oben genanntem Grund global nachgelernt wird, ergibt sich dabei die Schwierigkeit, dass rekursive Verfahren die Veränderungen der Batterieimpedanzen meist sehr langsam intern nachführen können, da diese in der Regel sehr robust parametriert sind und weitgehend unbeeinflusst von den Daten des Kennfeldes arbeiten. Dies kann beim tatsächlich schnellen Ändern der Batterieimpedanzen, wie es beim Erwärmen der Batterie oder bei schneller Änderung des Ladezustandes vorkommen kann, dazu führen, dass das Kennfeld zu stark oder in die falsche Richtung nachgelernt wird. Dies würde offensichtlich zu einer Verschlechterung der Aussagekraft des Kennfeldes führen.If the value memory (map) for the above reason is learned globally, the difficulty arises that recursive methods, the changes in battery impedance usually very can track slowly internally, since these are usually parameterized very robust and work largely uninfluenced by the data of the map. This can lead to the map being read too hard or in the wrong direction when the battery impedances are actually changing rapidly, as may occur when the battery is being heated or if the state of charge changes rapidly. This would obviously lead to a deterioration of the validity of the map.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren, das an Hand der
Die Batteriealterung wirkt sich in Form eines Alterungsparameters aus, der entweder (Variante I,) ein Faktor ist, mit dem das Ausgangs-Kennfeld im Laufe der Alterung gestreckt wird oder (Variante II,) ein Offset-Wert, um den das Ausgangs-Kennfeld gesamthaft verschoben wird.Battery aging has the effect of an aging parameter which is either (variant I,) a factor by which the output map is stretched in the course of aging or (variant II,) an offset value around which the output map is postponed overall.
Der grundsätzliche Ablauf des Verfahrens ist wie folgt:
Die Impedanzparameter (Rx, Cx) werden aus dem Kennfeld
The impedance parameters (Rx, Cx) are removed from the map
Die am Ausgang des Anpassers
Das oben erwähnte Schätzverfahren kann den in
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, dass sich eine Veränderung von Batterieimpedanzen, die sich z. B. im Laufe der Alterung einstellen, mit einem einfachen Verfahren für den gesamten Betriebsbereich (verschiedene Ladezustände und Temperaturen) nachführen lässt. Der generierte Alterungsfaktor α ist dabei ein Indikator, wie sich die Leistungsfähigkeit der Batterie verändert und gibt dadurch eine direkte Aussage auch über das Fortschreiten der Alterung der Batterie. Der Alterungsfaktor kann dabei, als Faktor (Variante I) oder Offset (Variante II), um den sich die Impedanzparameter im gesamten Betriebsbereich verändern, ausgelegt werden.The inventive method has the advantage that a change of battery impedance, z. B. set in the course of aging, with a simple method for the entire operating range (different states of charge and temperatures) can track. The generated aging factor α is an indicator of how the performance of the battery changes and thus gives a direct indication also of the progression of the aging of the battery. The aging factor can be designed as a factor (variant I) or offset (variant II) by which the impedance parameters change over the entire operating range.
Abschließend sei die Erfindung an Hand eines konkreten Beispiels weiter erläutert:
Es sei eine Temperaturerhöhung der Batterie im Betrieb von 0°C auf 20°C angenommen. Eine derartige Erhöhung kann innerhalb von wenigen Minuten erfolgen. Durch diese Temperaturänderung kann sich z. B. der Innenwiderstand halbieren.Finally, the invention will be further explained with reference to a concrete example:
Let's assume a temperature increase of the battery during operation from 0 ° C to 20 ° C. Such an increase can occur within a few minutes. By this temperature change can z. B. halve the internal resistance.
Ein direktes Schätzverfahren müsste die Modellparameter ebenso schnell, also innerhalb weniger Minuten, nachführen. Eine so hohe Dynamik macht es aber empfindlich gegenüber Störungen, so dass die Genauigkeit des Verfahrens gering wäre.A direct estimation method would have to track the model parameters just as fast, ie within a few minutes. However, such a high degree of dynamics makes it sensitive to disturbances, so that the accuracy of the method would be low.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die temperaturbedingte Änderung der Impedanz durch das Kennfeld abgebildet. Der Schätzer
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