DE102009042192B4 - Method for estimating the internal resistance or impedance value of a battery - Google Patents

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Abstract

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 optimiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass
die aus dem Wertespeicher entnommenen Parameter einem Schätzverfahren für die Batteriekennwerte zugeführt werden,
dass die so geschätzten Batteriekennwerte mit den tatsächlichen Batteriekennwerten verglichen werden,
und dass bei einer Abweichung der geschätzten Batteriekennwerte von den tatsächlichen Batteriekennwerten die aus dem Wertespeicher entnommenen Parameter-Werte jeweils mit einem Korrekturwert versehen werden, der so bemessen ist, dass die tatsächlichen Batteriekennwerte mit den auf der Basis der korrigierten Parameter-Werte geschätzten Batteriekennwerten übereinstimmen.

Figure DE102009042192B4_0000
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 diagram 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 the respective battery are optimized, characterized in that
the parameters taken from the value memory are fed to an estimation process for the battery characteristics,
that the battery characteristics estimated in this way are compared with the actual battery characteristics,
and that if the estimated battery characteristics deviate from the actual battery characteristics, the parameter values taken from the value memory are each provided with a correction value which is dimensioned such that the actual battery characteristics match the battery characteristics estimated on the basis of the corrected parameter values.
Figure DE102009042192B4_0000

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 diagram, 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 are determined for the respective battery. The value memory is 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 batterieintemen 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 largely determined by their internal resistance characteristics. A small internal resistance of the battery causes a small voltage drop within the battery when current flows and therefore few losses. Conversely, a high battery impedance results in high losses and therefore low battery performance. In order to obtain a reliable statement about the current performance of a battery, the impedance must 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 1 gezeigt.It has been shown that the dynamic electrical behavior of batteries can be reproduced with sufficient accuracy using a combination of resistors and RC elements. A typical model is a series resistor R 2 in series with an RC element (R 1 , C 1 ), which is intended to simulate the transient components. Such a model is in 1 shown.

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 from the battery (e.g. temperature, state of charge). The maps are intended to provide information about the actual internal resistance and thus the battery power available over 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 the battery ages, the battery impedances can increase significantly. It is no longer possible to predict the performance of an aged battery using impedance data determined at the beginning of its service life. A greatly increased internal resistance of a battery can reduce its performance to such an extent that it can no longer be used in hydride or battery vehicles, for example.

Bekannte Verfahren zur Bestimmung der Batterieimpedanz, dargelegt z.B. in US6037777 A , DE10337064B4 , GB2352820A , WO 02/35677 A1 , WO2005050810A1 , sind meist modellbasierte rekursive oder explizite Methoden bzw. Schätzverfahren.Known methods for determining the battery impedance, set out for example in US6037777 A , DE10337064B4 , GB2352820A , WO 02/35677 A1 , WO2005050810A1 , are usually model-based recursive or explicit methods or estimation procedures.

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 of creating a method of the type mentioned at the beginning, 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 specified in claim 1.

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 battery use, the parameter values contained in the value memory are assigned, for example with the help of measurements. During the use of the battery over several months or years, the battery characteristics obtained using an estimation process are constantly or at predetermined intervals compared with the initially dated battery characteristics.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich an Hand der nachfolgenden Erläuterungen von Ausführungsbeispielen.Advantageous embodiments of the invention emerge from 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 there is an age-related deviation between the estimated battery characteristics and the actual battery characteristics, 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 dimensioned such that the actual battery characteristics and battery characteristics estimated on the basis of the corrected parameter values match.

Die Änderungen der Batterieimpedanzen können als Indikatoren zur Bestimmung des Alterungszustandes einer Batterie genutzt werden.The changes in battery impedances can be used as indicators to determine the aging condition of a battery.

Bisherige Erfahrungen haben gezeigt, dass sich Impedanzparameter 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 impedance parameters change as aging occurs across the entire operating range (at all temperatures, across all charging states, 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 that the time constants of the complex battery impedances (τ= Rx*Cx) increase. If the impedance maps are only tracked strongly in the operating areas in which the battery is often located, for example due to regional climatic or systematic reasons, this effect of global change is not recorded.

Falls der Wertespeicher (Kennfeld) aus oben genanntem Grund global nachgelemt 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 nachgelemt wird. Dies würde offensichtlich zu einer Verschlechterung der Aussagekraft des Kennfeldes führen.If the value memory (map) is re-read globally for the reason mentioned above, the difficulty arises that recursive procedures The changes in battery impedances can usually be tracked internally very slowly, as these are usually parameterized very robustly and work largely uninfluenced by the data from the map. If the battery impedances actually change quickly, as can happen when the battery heats up or when the charge level changes quickly, this can lead to the map being re-read too much or in the wrong direction. This would obviously lead to a deterioration in the informative value of the map.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren, das an Hand der 2 und 3 näher erläutert wird, werden durch eine Kopplung zwischen Kennfeld und Schätzer die o.g. Nachteile eines rekursiven Impedanz-Schätzverfahren vermieden. Das Kennfeld wird auch bei einer alterungsbedingten Änderung des Batterie-Innenwiderstands unverändert beibehalten. Die alterungsbedingte Veränderung der Impedanzparameter wird über einen globalen Alterungsparameter berücksichtigt. Die Impedanzparameter selbst werden mit einem bekannten Schätzverfahren ermittelt.In the method according to the invention, which is based on the 2 and 3 is explained in more detail, the above-mentioned disadvantages of a recursive impedance estimation method are avoided by a coupling between the map and the estimator. The map remains unchanged even if the battery's internal resistance changes due to aging. The aging-related change in the impedance parameters is taken into account using a global aging parameter. The impedance parameters themselves are determined using a known estimation method.

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 an effect in the form 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 by which the output map is stretched is postponed overall.

Der grundsätzliche Ablauf des Verfahrens ist wie folgt:

  • Die Impedanzparameter (Rx, Cx) werden aus dem Kennfeld 1 (2) ausgelesen. Die Parameter werden in einem Anpasser 2 mit einem Alterungsfaktor α multipliziert (I) oder addiert (II). Dabei ist α ein Vektor von Faktoren/Offsetwerten, je ein Faktor pro Impedanzparameter, α = [αR1 , αR2, ..., αC1, αC2, ...]).
The basic process flow is as follows:
  • The impedance parameters (Rx, Cx) are taken from map 1 ( 2 ) read out. The parameters are multiplied (I) or added (II) by an aging factor α in an adapter 2. Here α is a vector of factors/offset values, one factor per impedance parameter, α = [αR1, αR2, ..., αC1, αC2, ...]).

Die am Ausgang des Anpassers 2 anstehenden, faktorisierten / verschobenen Parameter (Rx*,Cx*) werden in einem Schätzer 3 mit Hilfe eines Schätzverfahrens unter Nutzung der konkreten Messwerte von Batteriestrom und -spannung an die tatsächlichen Impedanzparameter der Batterie angeglichen. Die neuen Parameter (Rx,^,Cx^) werden in einem Rechner 4 durch die Parameter (Rx, Cx) aus dem Kennfeld 1 dividiert (I) oder diese davon subtrahiert (II). Aus dem Quotienten / der Differenz ergibt sich der neue Alterungsfaktor α.The factored/shifted parameters (Rx*,Cx*) present at the output of the adaptor 2 are adjusted to the actual impedance parameters of the battery in an estimator 3 using an estimation method using the specific measured values of battery current and voltage. The new parameters (Rx,^,Cx^) are divided in a computer 4 by the parameters (Rx, Cx) from the map 1 (I) or subtracted from them (II). The new aging factor α results from the quotient / difference.

Das oben erwähnte Schätzverfahren kann den in 3 dargestellten strukturellen Ablauf aufweisen: Aus den vorverarbeiteten Parametern (Rx*,Cx*) werden in einem Rechner 5 z.B. mittels bilinearer Transformation die Koeffizienten (ax,bx) der diskreten Übertragungsfunktion des dynamischen Batterieersatzschaltbildes berechnet. Mit der diskreten Übertragungsfunktion und dem gemessenen Strom Imess wird in einem Prognostizierer 6 eine Spannung Uprog der Batterie durch Lösen der Übertragungsgleichung prognostiziert. Diese Prognosespannung wird mit der tatsächlichen Batteriespannung verglichen. Die Abweichung ε = Umess - Uprog zwischen Prognosespannung und Batteriespannung wird in einem Adapter 7 genutzt, um die Impedanzparameter so abzuändern, dass sich die Abweichung zwischen Modell und Messung verkleinert und im Idealfall zu Null ergibt. Anschließend werden aus den angepassten Koeffizienten der diskreten Übertragungsfunktion (ax^,bx^) mittels bilinearer Rücktransformation in einem Rechner 8 die angepassten Impedanzparameter (Rx,^,Cx^) berechnet.The estimation method mentioned above can be used in 3 have the structural sequence shown: The coefficients (ax, bx) of the discrete transfer function of the dynamic battery equivalent circuit diagram are calculated in a computer 5 from the preprocessed parameters (Rx*, Cx*), for example by means of bilinear transformation. Using the discrete transfer function and the measured current Imess, a voltage Uprog of the battery is predicted in a forecaster 6 by solving the transfer equation. This forecast voltage is compared with the actual battery voltage. The deviation ε = Umess - Uprog between forecast voltage and battery voltage is used in an adapter 7 to change the impedance parameters so that the deviation between model and measurement is reduced and, ideally, becomes zero. The adapted impedance parameters (Rx,^,Cx^) are then calculated from the adapted coefficients of the discrete transfer function (ax^,bx^) using bilinear inverse transformation in a computer 8.

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 method according to the invention offers the advantage that a change in battery impedances, which occurs, for example, in the course of aging, can be tracked using a simple method for the entire operating range (different charging states and temperatures). The generated aging factor α is an indicator of how the performance of the battery changes and therefore provides a direct statement about the progression of the battery's aging. The aging factor can be designed as a factor (variant I) or offset (variant II), by which the impedance parameters change throughout 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 using a concrete example:
  • It is assumed that the temperature of the battery increases from 0°C to 20°C during operation. Such an increase can occur within a few minutes. This change in temperature can, for example, 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 procedure would have to adjust the model parameters just as quickly, i.e. within a few minutes. However, such a high dynamic 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 3 folgt lediglich alterungsbedingten und damit deutlich langsameren Änderungen und kann dadurch deutlich robuster ausgelegt werden.By means of the method according to the invention, the temperature-related change in impedance is represented by the characteristic map. The estimator 3 only follows aging-related and therefore significantly slower changes and can therefore be designed to be much more robust.

Claims (3)

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 optimiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Wertespeicher entnommenen Parameter einem Schätzverfahren für die Batteriekennwerte zugeführt werden, dass die so geschätzten Batteriekennwerte mit den tatsächlichen Batteriekennwerten verglichen werden, und dass bei einer Abweichung der geschätzten Batteriekennwerte von den tatsächlichen Batteriekennwerten die aus dem Wertespeicher entnommenen Parameter-Werte jeweils mit einem Korrekturwert versehen werden, der so bemessen ist, dass die tatsächlichen Batteriekennwerte mit den auf der Basis der korrigierten Parameter-Werte geschätzten Batteriekennwerten übereinstimmen.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 diagram, is taken as a basis and the parameters of the model are taken from a value memory, the values of which are optimized for the respective battery based on the actual battery characteristics, characterized in that the parameters taken from the value memory are fed to an estimation method for the battery characteristics, that the battery characteristics estimated in this way are compared with the actual battery characteristics, and that if the estimated battery characteristics deviate from the actual battery characteristics, the parameter values taken from the value memory are each provided with a correction value which is dimensioned such that the actual battery characteristics correspond to the on Battery characteristics estimated based on the corrected parameter values match. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturwerte zu den Parameter-Werten addiert werden.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the correction values are added to the parameter values. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturwerte mit den Parameter-Werten multipliziert werden.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the correction values are multiplied by the parameter values.
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