DE102009046579A1

DE102009046579A1 - Verbesserte Parameterbestimmung eines elektrochemischen Energiespeichers

Info

Publication number: DE102009046579A1
Application number: DE102009046579A
Authority: DE
Inventors: Andre Boehm; Sven Gaebler
Original assignee: SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch Battery Systems GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Priority date: 2009-11-10
Filing date: 2009-11-10
Publication date: 2011-05-12
Also published as: WO2011057846A1

Abstract

Eine Batteriemanagementeinheit mit einem Controller, einem Stromsensor und einem Spannungssensor. Der Stromsensor ist ausgebildet, einen Batteriestrom zu bestimmen und als Reihe von Strommesswerten an den Controller auszugeben. Der Spannungssensor ist ausgebildet, eine Batteriespannung zu bestimmen und als Reihe von Spannungsmesswerten an den Controller auszugeben. Der Controller ist ausgebildet, aus den Strommesswerten und den Spannungsmesswerten einen ersten Schätzwert für einen Ladezustand, einen zweiten Schätzwert für eine Batterieimpedanz und einen dritten Schätzwert für eine Leerlaufspannung zu bestimmen. Der Controller ist außerdem ausgebildet, die Spannungsmesswerte hochpasszufiltern und den zweiten Schätzwert für die Batterieimpedanz als Funktion der hochpassgefilterten Spannungsmesswerte und des dritten Schätzwertes für die Leerlaufspannung zu bestimmen.

Description

Stand der Technik
In Hybrid- und Elektrofahrzeugen werden Antriebsbatterien eingesetzt, die eine große Anzahl in Serie geschalteter elektrochemischer Zellen, vorzugsweise Lithium-Ionen- oder Nickel-Metallhydrid-Batteriezellen, enthalten. Eine Batteriemanagementeinheit dient dabei zur Überwachung der Antriebsbatterie und soll neben der Sicherheitsüberwachung eine möglichst hohe Lebensdauer gewährleisten.
Dazu wird die Spannung jeder einzelnen Zelle zusammen mit dem Batteriestrom und der Batterietemperatur gemessen und eine Zustandsschätzung, insbesondere eine Schätzung des Ladezustands und ggf. des Alterungszustandes, der Antriebsbatterie vorgenommen. Üblicherweise wird dabei jede einzelne oder wenigstens eine repräsentative Auswahl von Zellen mit Hilfe eines mathematischen Modells einer Zelle und einer regelungstechnischen Beobachterstruktur modelliert und deren maßgeblichen Parameter nachgeführt.
1 zeigt die Struktur eines üblicherweise in einem solchen Beobachter eingesetzten Zellmodells. Es besitzt einen Anteil, der die Leerlaufspannung (Open-Circuit Voltage, OCV) abbildet, und einem zweiten Anteil, der je nach verwendetem Modell unterschiedlich komplex ausfallen kann und die Impedanz der Batteriezelle repräsentiert. Dieser Impedanzanteil bestimmt maßgeblich die Spannungsänderung unter Last im Vergleich zum Ruhezustand.
Die Leerlaufspannung ist eine Funktion des Ladezustandes. Ein typischer Kurvenverlauf für eine Lithium-Ionenzelle ist in 2 abgebildet. Der Ladezustand kann wiederum als Integration des Batteriestroms dargestellt werden und verhält sich grundsätzlich stetig. In typischen Anwendungen wie Hybrid- oder Elektrofahrzeugen ist der Ladezustand nur moderaten Änderungsgradienten unterworfen. Damit ändert sich die Leerlaufspannung ebenfalls nur langsam und stetig, wie an einem Rechenbeispiel einfach nachvollzogen werden kann:
In einem Elektrofahrzeug mit einer Reichweite von 100 km, welches mit 100 km/h gefahren wird, wird die Antriebsbatterie innerhalb einer Stunde vollständig entladen. Beträgt der Unterschied der Leerlaufspannung zwischen vollgeladener und vollständig entladener Batteriezelle z. B. 1 V, so ändert sich diese Spannung im Mittel pro Zelle um 1 V pro Stunde, also etwa 0,28 mV/s.
Im Gegensatz hierzu ändert sich der Batteriestrom beispielsweise bei Umschalten von Beschleunigen (Motorbetrieb) auf Abbremsen (Generatorbetrieb) innerhalb von Sekunden um Größenordnungen. Änderungen des Batteriestroms haben eine entsprechende Änderung des durch den Batteriestrom aufgrund der Batterieimpedanz verursachten Anteils der Batteriespannung zur Folge.
Zur Nachführung der Parameter des Modells für die Batterieimpedanz ist es notwendig, den Anteil der momentan vorliegenden Batteriespannung, der durch die Impedanz bei einem aktuell fließenden Batteriestrom hervorgerufen wird, zu bestimmen. Dazu wird von der gemessenen Batteriespannung die Leerlaufspannung abgezogen. Im Betrieb ist die Antriebsbatterie jedoch unter Last, so dass ein aktueller Wert für die Leerlaufspannung nicht zur Verfügung steht und daher ebenfalls auf einen aus einem Modell gewonnenen Wert zurückgegriffen werden muss. Daher beeinflusst die Genauigkeit des Schätzung der Leerlaufspannung die Genauigkeit der Schätzung der Batterieimpedanz und begrenzt so die Bestimmungsgüte für die Parameter des Modells der Batteriezellen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung macht es sich zur Aufgabe, eine verbesserte rechnerische Bestimmung der maßgeblichen Parameter einer Batteriezelle zu ermöglichen.
Ein erster Erfindungsaspekt führt eine Batteriemanagementeinheit mit einem Controller, einem Stromsensor und einem Spannungssensor ein. Der Stromsensor ist ausgebildet, einen Batteriestrom zu bestimmen und als Reihe von Strommesswerten an den Controller auszugeben. Der Spannungssensor ist ausgebildet, eine Batteriespannung zu bestimmen und als Reihe von Spannungsmesswerten an den Controller auszugeben. Der Controller ist ausgebildet, aus den Strommesswerten und den Spannungsmesswerten einen ersten Schätzwert für einen Ladezustand, einen zweiten Schätzwert für eine Batterieimpedanz und einen dritten Schätzwert für eine Leerlaufspannung zu bestimmen. Erfindungsgemäß ist der Controller ausgebildet, die Spannungsmesswerte hochpasszufiltern und den zweiten Schätzwert für die Batterieimpedanz als Funktion der hochpassgefilterten Spannungsmesswerte und des dritten Schätzwertes für die Leerlaufspannung zu bestimmen.
Die Batteriemanagementeinheit bzw. das von ihr durchgeführte Verfahren zur Bestimmung der maßgeblichen Parameter des Batteriemodells besitzt den Vorteil, dass für die Nachführung der Parameter des Impedanzmodells nur der durch die Batterieimpedanz verursachte schnell veränderliche Teil der Batteriespannung berücksichtigt wird. Dadurch können die Parameter Batterieimpedanz und Leerlaufspannung voneinander getrennt werden, so dass das Impedanzmodell unbeeinflusst von der Genauigkeit der Schätzung der Leerlaufspannung bleibt und die Zuverlässigkeit der Modellierung und der daraus getroffenen Aussagen über den Zustand der Antriebsbatterie erhöht wird.
Alle Ausführungen der Erfindung können selbstverständlich auch einen Temperatursensor (oder weitere an der Batterie angeordnete Sensoren) enthalten, der ausgebildet ist, eine Batterietemperatur zu bestimmen und als Reihe von Temperaturmesswerten an den Controller auszugeben. Der Controller ist dann ausgebildet, den ersten, zweiten und dritten Schätzwert unter Einbeziehung der Temperaturmesswerte zu bestimmen.
Bevorzugt ist der Controller ausgebildet, den zweiten Schätzwert als Funktion einer Differenz der hochpassgefilterten Spannungsmesswerte und des dritten Schätzwertes für die Leerlaufspannung zu bestimmen. In dieser Ausführung der Erfindung wird die Vorhersage der Batterieimpedanz aus dem Impedanzmodell fortlaufend mit dem aktuellen Messwert der Batteriespannung verglichen, welcher durch die Hochpassfilterung bereits von dem nur langsam veränderlichen Anteil der Leerlaufspannung befreit wurde. Dadurch kann das Impedanzmodell ständig an die tatsächlichen Gegebenheiten angepasst und aktualisiert werden.
Dabei kann der Controller ausgebildet sein, den zweiten Schätzwert als Verhältnis der Differenz der hochpassgefilterten Spannungsmesswerte und des dritten Schätzwertes für die Leerlaufspannung zu einem Strommesswert zu bestimmen. Im einfachsten Fall wird die Batterieimpedanz durch Division der Differenz der hochpassgefilterten Spannungsmesswerte und des dritten Schätzwertes für die Leerlaufspannung durch einen Strommesswert bestimmt.
Besonders bevorzugt weist der Controller einen regelungstechnischen Beobachter auf, der ausgebildet ist, den zweiten Schätzwert zu bestimmen. Beobachter stellen ein bekanntes regelungstechnisches Mittel dar, welches fortlaufend ein Modell für ein beobachtetes System an das tatsächliche Verhalten des Systems anpasst und auf der Grundlage des Modells Aussagen über nicht direkt bestimmbare innere Zustandsvariablen des Systems erlaubt.
Der Controller kann einen Integrator aufweisen, der ausgebildet ist, die Strommesswerte zu integrieren und den ersten Schätzwert für den Ladezustand als Funktion der integrierten Strommesswerte zu bestimmen.
Der Controller kann zudem ausgebildet sein, den dritten Schätzwert für die Leerlaufspannung als Funktion des ersten Schätzwertes für den Ladezustand zu bestimmen. Dabei enthält der Controller bevorzugt eine Tabelle, welche einer Vielzahl von möglichen ersten Schätzwerten für den Ladezustand jeweils einen dritten Schätzwert für die Leerlaufspannung zuordnet.
Der Controller kann außerdem ausgebildet sein, einen vierten Schätzwert für einen Alterungszustand zu bestimmen. Mit zunehmender Alterung der Antriebsbatterie verschlechtern sich ihre maßgeblichen Parameter. So sinkt die Leerlaufspannung und die Batterieimpedanz erhöht sich. Werden diese Parameter für eine gegebene Antriebsbatterie bestimmt, wird auch eine Aussage über deren Alterungszustand möglich.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Mehrzahl von Batteriezellen und einer Batteriemanagementeinheit gemäß dem ersten Erfindungsaspekt.
Ein dritter Erfindungsaspekt führt Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer Antriebsbatterie ein, wobei die Antriebsbatterie als Batterie nach dem zweiten Erfindungsaspekt ausgeführt ist.
Kurzbeschreibung der Abbildungen
Die Erfindung wird im folgenden anhand von einigen Abbildungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine übliche Struktur eines Zellmodells zur Verwendung in einem Beobachter;
2 einen typischen Kurvenverlauf der Leerlaufspannung als Funktion des Ladezustandes für eine Lithium-Ionenzelle; und
3 ein Blockdiagramm einer Beobachterstruktur zur Adaption der Parameter des Zellimpedanzmodells.
Detaillierte Beschreibung der Abbildungen
1 zeigt eine übliche Struktur eines Zellmodells zur Verwendung in einem Beobachter. Eine Spannungsquelle 11 repräsentiert die Leerlaufspannung U_OCV der Batteriezelle. Die Batterieimpedanz 12 erzeugt aufgrund des Batteriestromes I_BATT eine zweite Spannungskomponente U_IMP, welche summiert mit der Leerlaufspannung U_OCV die Batteriespannung U_BATT ergibt. Wird die Antriebsbatterie mit einer hohen Last belastet, fließt ein entsprechend großer Batteriestrom I_BATT, so dass die Batteriespannung U_BATT gegenüber der Leerlaufspannung U_OCV um einen der Batterieimpedanz 12 entsprechenden Betrag einbricht. Allerdings sind Leerlaufspannung U_OCV und Batterieimpedanz 12 selbst Veränderliche, so dass diese Größen beispielsweise durch eine regelungstechnische Beobachterstruktur modelliert und durch fortlaufende Beobachtung des tatsächlichen Systems nachgeführt werden müssen.
2 zeigt einen typischen Kurvenverlauf der Leerlaufspannung als Funktion des Ladezustandes für eine Lithium-Ionenzelle. Der Ladezustand ist in Prozent von 100% auf 0% sinkend aufgetragen, die sich daraus ergebende Leerlaufspannung U_OCV ist auf der Ordinate aufgetragen. Auffällig ist ein kurzer relativ schneller Abfall der Leerlaufspannung bei Beginn der Entladung. Anschließend schließt sich ein Bereich an, in dem die Leerlaufspannung nahezu konstant bleibt, obwohl sich die Batteriezelle fortlaufend weiter entlädt. Erst für sehr niedrige Ladezustände bricht die Leerlaufspannung schnell ein. In der Praxis werden die extremen Bereiche der Kurve vermieden, um eine Beschädigung der Batteriezelle durch Tiefentladung oder Überladung zu vermeiden. Bei Alterung der Batteriezelle wird sich die Kurve zu niedrigeren Leerlaufspannungen hin verschieben und die Leerlaufspannung bei der Entladung schneller schneller bzw. früher abfallen. Daher ist es bei geeigneter Modellierung der Leerlaufspannung möglich, eine Aussage über die Alterung der Batteriezelle zu treffen.
3 zeigt ein Blockdiagramm einer Beobachterstruktur zur Adaption der Parameter des Zellimpedanzmodells. Eingangsgröße der Beobachterstruktur mit dem zu modellierenden System 31 und dem Impedanzmodell 32 ist der schnell veränderliche Batteriestrom I_BATT. Die sich für den Batteriestrom I_BATT ergebende Batteriespannung U_BATT wird gemessen und in einem Hochpassfilter 33 hochpassgefiltert, um den Beitrag der langsam veränderlichen Leerlaufspannung U_OCV zu eliminieren und so die gemessene Spannung U_IMP zu erhalten. Das Impedanzmodell 32 liefert für den gemessenen Batteriestrom I_BATT eine Vorhersage U'_IMP für den impedanzabhängigen Teil U_IMP der zu erwartenden Batteriespannung U'_BATT, welcher mit dem tatsächlichen impedanzabhängigen Teil U_IMP durch Differenzbildung in einem Subtraktor 34 verglichen wird. Die Differenz des vorhergesagten Wertes und des gemessenen wird wiederum in das Impedanzmodell 32 rückgeführt, um die Zustandsvariablen, die Teil des Impedanzmodells 32 bilden, an die Beobachtung anzupassen. Die Hochpassfilterung der Erfindung hat hierbei den Vorteil, dass die Zustandsvariablen, die Teil des Impedanzmodells 32 sind, nicht durch Änderungen der Leerlaufspannung verfälscht werden, weil diese langsamen Änderungen aus den Messwerten der Batteriespannung U_BATT herausgefiltert werden.

Claims

Eine Batteriemanagementeinheit mit einem Controller, einem Stromsensor und einem Spannungssensor, wobei der Stromsensor ausgebildet ist, einen Batteriestrom zu bestimmen und als Reihe von Strommesswerten an den Controller auszugeben, wobei der Spannungssensor ausgebildet ist, eine Batteriespannung zu bestimmen und als Reihe von Spannungsmesswerten an den Controller auszugeben, und wobei der Controller ausgebildet ist, aus den Strommesswerten und den Spannungsmesswerten einen ersten Schätzwert für einen Ladezustand, einen zweiten Schätzwert für eine Batterieimpedanz und einen dritten Schätzwert für eine Leerlaufspannung zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller ausgebildet ist, die Spannungsmesswerte hochpasszufiltern und den zweiten Schätzwert für die Batterieimpedanz als Funktion der hochpassgefilterten Spannungsmesswerte und des dritten Schätzwertes für die Leerlaufspannung zu bestimmen.
Die Batteriemanagementeinheit von Anspruch 1, bei der der Controller ausgebildet ist, den zweiten Schätzwert als Funktion einer Differenz der hochpassgefilterten Spannungsmesswerte und des dritten Schätzwertes für die Leerlaufspannung zu bestimmen.
Die Batteriemanagementeinheit von Anspruch 2, bei der der Controller ausgebildet ist, den zweiten Schätzwert als Verhältnis der Differenz der hochpassgefilterten Spannungsmesswerte und des dritten Schätzwertes für die Leerlaufspannung zu einem Strommesswert zu bestimmen.
Die Batteriemanagementeinheit von einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Controller einen regelungstechnischen Beobachter aufweist, der ausgebildet ist, den zweiten Schätzwert zu bestimmen.
Die Batteriemanagementeinheit von einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Controller einen Integrator aufweist, der ausgebildet ist, die Strommesswerte zu integrieren und den ersten Schätzwert für den Ladezustand als Funktion der integrierten Strommesswerte zu bestimmen.
Die Batteriemanagementeinheit von einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Controller ausgebildet ist, den dritten Schätzwert für die Leerlaufspannung als Funktion des ersten Schätzwertes für den Ladezustand zu bestimmen.
Die Batteriemanagementeinheit von Anspruch 6, bei der der Controller eine Tabelle enthält, welche einer Vielzahl von möglichen ersten Schätzwerten für den Ladezustand jeweils einen dritten Schätzwert für die Leerlaufspannung zuordnet.
Die Batteriemanagementeinheit von einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Controller ausgebildet ist, einen vierten Schätzwert für einen Alterungszustand zu bestimmen.
Eine Batterie mit einer Mehrzahl von Batteriezellen und einer Batteriemanagementeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer Antriebsbatterie, welche als Batterie nach Anspruch 9 ausgeführt ist.