DE102009050572A1

DE102009050572A1 - Verfahren zur Bestimmung des Alterungszustandes einer Batterie

Info

Publication number: DE102009050572A1
Application number: DE102009050572A
Authority: DE
Original assignee: Buchholz Michael Dipl-Ing; Daimler AG
Current assignee: Buchholz Michael Dipl-Ing; Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-10-24
Filing date: 2009-10-24
Publication date: 2011-05-12
Also published as: DE102009050572A8

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Alterungszustandes einer Batterie, insbesondere einer Lithium Batterie. Bei dem Verfahren werden die im Betrieb der Batterie auftretenden Signalverläufe aufgenommen, aus den Signalverläufen Werte bestimmt und aus diesen Werten Kenndaten ermittelt. Aus diesen Kenndaten wird auf den Alterungszustand der Batterie geschlossen. In besonderer Weise wird der zeitliche Verlauf von Anregungssignalen zu Beginn eines Betriebsmodus erfasst und diejenigen Signalverläufe als Anregungssignale gewählt, die die Batterie belasten und die im regulären Betriebsmodus zu dessen Beginn auftreten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Alterungszustandes einer Batterie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es bspw. aus der gattungsbildend zugrundegelegten DE 10 2007 023 901 A1 als bekannt hervorgeht.
Aus der DE 10 2007 02 30 901 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem innerhalb eines definierten Zeitintervalls die Spannungs- und Stromwerte einer Batterie abgegriffen, aufbereitet und ein korrigierter Innenwidersstand der Batterie ermittelt und zur Alterungsbestimmung der Batterie herangezogen wird. Hierzu weist die betreffende Diagnosevorrichtung wenigstens eine Auswerteeinheit auf, die dazu vorgesehen ist, eine Prognose für ein Zeitintervall zu erstellen, das kleiner als 1000 ms, vorzugsweise kleiner als 800 ms ist und besonders vorteilhaft eine Größe zwischen 400 und 600 ms aufweist. Unter einer „Auswerteeinheit” ist hierbei eine Einheit zu verstehen, die dazu vorgesehen ist, zur Auswertung Informationen zu ermitteln, und insbesondere Kenngrößen aus einem Speicher auszulesen und/oder Kenngrößen zu berechnen. Die Auswerteeinheit weist vorzugsweise hierfür eine Recheneinheit und eine Speichereinheit mit einem darin gespeicherten Betriebsprogramm auf.
Eine wesentliche Aufgabe besteht darin, Wertepaare für Spannung und Strom bereitzustellen. Diese stellen eine Batterieleistung dar, welche in einem Prognosezeitraum bzw. im Zeitintervall mindestens angefordert werden kann und vorzugsweise für eine Vorsteuerung genutzt werden kann.
Die Kenngröße für die Batteriealterung kann dabei durch verschiedene Verfahren ermittelt werden. So ist die Auswerteeinheit bspw. dazu vorgesehen, die Kenngröße für die Batteriealterung zumindest abhängig von einer Widerstandskenngröße zu ermitteln.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem der Alterungszustand einer Batterie möglichst einfach und vorzugsweise mit preiswerten und funktionsstabilen Bauteilen möglichst zuverlässig zu ermitteln ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren mit den Verfahrensschritten des Anspruchs 1 gelöst. Durch die Erfassung der zeitlichen Verläufe von Anregungssignalen zu Beginn eines Betriebsmodus sowie deren funktionelle und zeitliche Wahl können zumindest viele störende Einflüsse während des normalen Betriebs ausgeschlossen und/oder erheblich reduziert werden. Hierdurch kann auf einfache und preisgünstige Weise der Aufwand zur Alterbestimmung einer Batterie, insbesondere einer Lithium Batterie verringert werden. Insbesondere ist dieses Verfahren sowohl für Batterien geeignet, die zum Betrieb von Hybridfahrzeugen mit Verbrennungsmotor und auch mit Brennstoffzellen vorgesehen sind.
In sinnvoller Ausgestaltung der Erfindung werden bei einem Fahrzeug als Anregungssignale Signalverläufe gewählt, die beim Starten eines Verbrennungsmotors auftreten, wobei in besonderer Weise noch die Signalverläufe des Stroms und der Spannung der Batterie erfasst werden.
Zur weiteren Verbesserung der gewünschten Resultate ist es ferner sinnvoll von der gemessenen Spannung die Leerlaufspannung der Batterie abzuziehen, da hier u. a. die Vergleichbarkeit baugleicher Batterien verbessert wird.
In sinnvoller Weise werden die Signalverläufe von Strom und Spannung der Batterie für eine maximale Abtastdauer von 5 sec, vorzugsweise 3 s und besonders bevorzugt von 2 s mit einer Abtastzeit von einem Hundertstel, bevorzugt einem Zweihundertstel/1/200) der Abtastdauer ermittelt.
In günstiger Weise hat es sich gezeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere für Lithium Batterie geeignet ist.
Insgesamt sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren also nur wenige Daten zur Modellidentifikation notwendig. Ferner liegt auch nur eine geringe Varianz der Innenwiderstandswerte vor, da immer ein zumindest vergleichbares Anregungssignal vorliegt. In vorteilhafter Weise kann des weiteren die Auswertung der ermittelten Signalverläufe mit einer hohen zeitlichen Flexibilität erfolgen.
Von besonderem Vorteil ist ferner, dass bei dem beanspruchten Verfahren auch eine hervorragende Kompensation der Temperaturabhängigkeit der betreffenden Daten vorliegt, ferner die Alterung auf einen einfachen und einprägsamen Kennwert zurückgeführt werden kann sowie zusätzlich die Alterungsdetektion noch eine hohe Robustheit durch eine Filterung aufweist.
Weitere sinnvolle Ausgestaltungen er Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar. Im Übrigen wird die Erfindung anhand von in den Zeichnungen und Diagrammen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 ein Ersatzschaltbild einer Batterie,
2 einen grobschematischen Ablaufplan der Methode,
3 Diagramme zeitlicher Beispielverläufe von Zellenspannung und -strom beim Start eines Verbrennungsmotors,
4 Innenwiderstandskennlinien unterschiedlich gealterter Batterien,
5 Diagramme von zeitlichen Temperatur- und Innenwiderstandsverläufen sowie der Alterungskennwerte für eine neue (jeweils linke Hälfte) und eine gealterte Zelle (jeweils rechte Diagrammhälfte);
6 Diagramme eines Kennwerts sowie eines durch gleitenden Mittelwert gefilterten Kennwerts und
7 einen gegenüber 1 verfeinerten schematischen Ablaufplan des Verfahrens.
Zur Beschreibung des elektrischen Verhaltens von Batteriezellen können Ersatzschaltbilder (siehe 1) herangezogen werden. Die Elemente des Ersatzschaltbildes stellen die Repräsentanz für die in der Batterie ablaufenden Effekte dar. Das vorliegende, einfache Batteriemodell beinhaltet die ideale Leerlaufspannungsquelle U_OCV, den ohmschen Innenwiderstand der Batteriezelle R_Ohm, den Polarisationseffekt mit den Elementen des komplexen Widerstandes R_P und C_P sowie den Diffusionseffekt mit den Elementen des komplexen Widerstandes R_D und C_D. Das zugehörige Ersatzschaltbild ist in 1 dargestellt. Je nach Einsatzzweck und Typ der Batteriezelle kann auch ein noch weiter vereinfachtes oder komplexeres Ersatzschaltbild zur Modellbeschreibung zum Einsatz kommen.
Zur Identifikation von Werten der einzelnen Elemente im Ersatzschaltbild müssen entsprechende Anregungssignale zur Verfügung stehen.
Außerdem hängen diese Werte in unterschiedlichem Maße von weiteren Bedingungen wie der Temperatur der Batteriezelle und ihrem Ladezustand ab. Der Einfluss der Alterung verändert die Werte der einzelnen Elemente zusätzlich.
Zur Isolierung der Einflüsse der Alterung von den Einflüssen durch Temperatur und Ladezustand müssen diese entweder durch geeignete Modellvorstellung von der Abhängigkeit der Einflussgröße entfernt werden oder die Auswertung kann nur in einem Betriebsbereich erfolgen, bei der der zusätzliche Einfluss vernachlässigt werden kann.
Die Signale zur Identifikation der Modellparameter (Identifikationssignale) werden im Fahrzeug aufgenommen und zwischengespeichert. Die Abtastung erfolgt mit der im Fahrzeug üblichen Abtastrate. Die zur Verfügung stehenden Anregungssignale sind ausschließlich die im regulären Fahrbetrieb auftretenden Signalverläufe. Dies schließt künstliche, synthetische Anregungssignale aus, da hierbei der reguläre Fahrbetrieb gestört würde und zusätzliche Testhardware notwendig würde.
Um die Genauigkeit und die Robustheit der Methode auch bei der Verwendung von Signalen aus dem Fahrbetrieb zu garantieren werden zur Identifikation stets festgelegte, sich wiederholende und zeitlich begrenzte Signale, bei der die Batteriezelle belastet wird, verwendet. Die Art dieses Signals wird im Voraus festgelegt.
Nach Entfernung verschiedener Einflüsse auf den Innenwiderstand wie insbesondere Temperatur und Ladungszustand liegt bei gleichem Zelltyp und gleichem Alterungszustand der Innenwiderstand auf gleichem Niveau. Unter der Alterungsdetektion im Zusammenhang mit der Innenwiderstandsbestimmung wird die fortschreitende Erhöhung des Innenwiderstandes durch thermische und kalendarische Alterung der Batteriezelle verstanden.
Durch Untersuchung der Entwicklung des Innenwiderstandes der Batteriezelle bei der Alterung ist es möglich eine mathematische Beschreibung unter Verwendung eines Kennwertes für die Alterung anzugeben.
Es handelt sich um eine dreistufige Methode, bei der die einzelnen Stufen auf die Ergebnisse der vorausgegangenen Stufen aufbauen, aber zeitlich unabhängig voneinander ausgeführt werden können. Die einzelnen Stufen sind in 2 dargestellt. Die Datenaufzeichnung muss zum entsprechend festgestellten Zeitpunkt, an dem das Anregungssignal auftritt, erfolgen, die weiteren Stufen können je nach Möglichkeit der Auswertung sofort oder zeitversetzt durchgeführt werden.
Bei dieser Methode werden bei Auftreten von Identifikationssignalen, wie sie zuvor beschrieben sind, diese für eine weitere Verarbeitung aufgezeichnet. Bei der Auswertung der gespeicherten Verläufe wird zuerst die Identifikation der Modellparameter im Modell der Batteriezelle durchgeführt. Aus dem ermittelten Wert für den Innenwiderstand kann unter Einbeziehung der Randbedingungen Batterietemperatur und Ladezustand eine Kenngröße für die Alterung gebildet werden.
Bei der Alterungsdetektion einer Lithium-Ionen-Batteriezelle für ein Hybridfahrzeug kommen Fahrzeugmessdaten von Strom und Spannung der Batteriezelle mit einer Abtastzeit von 10 ms zum Einsatz.
Als Anregungssignal werden die Signalverläufe von Strom und Spannung beim Start des Verbrennungsmotors des Hybridfahrzeuges von 2 Sekunden Dauer bzw. 200 Abtastwerten aufgezeichnet.
Dieser Zeitpunkt ist besonders geeignet, da positive und negative Stromwerte mit einer hohen Dynamik auftreten, das Signal aber dennoch zeitlich klar begrenzt ist. Außerdem tritt das Signal im Hybridfahrzeug bspw. bei Stop&Go-Verkehr sehr häufig und auch nach längerer Standzeit beim ersten Starten des Motors, wenn die Batterie relaxiert ist, auf. Diagramme dieser Signalverläufe sind in 3 dargestellt.
Die Aufnahme der Daten im Fahrzeug und die vorgegebene Abtastzeit bedingt einen Modellansatz eines PT1-Gliedes (Verzögerungsglied erster Ordnung (Systemtheoretischer Begriff)) in zeitdiskreter Darstellung.
wobei

U: Zellenspannung der Batteriezelle
UOCV: Leerlaufspannung der Batteriezelle
I: Strom durch die Batteriezelle
a1, b1,: Parameter eines zeitdiskreten PT₁

Diese Modellannahme wird aus dem in 1 vorgestellten Batteriezellenmodell gewonnen. Auf Grund der kurzen Gesamtdauer des Anregungsignals muss der Diffusionseffekt nicht berücksichtigt werden. Außerdem wird im Modell nicht zwischen dem ohmschen Widerstand und dem Polarisationseffekt unterschieden. Diese Vereinfachung ist möglich, da auf Grund der relativ großen Abtastzeit im Vergleich zur Zeitkonstante des Polarisationseffektes und dem zeitdiskreten Modellansatz die Abweichung zwischen der Summe aus ohmschen Widerstand und Polarisationswiderstand in einem komplexeren Modell mit einem P-Anteil (ohmscher Widerstand) und einem PT1-Anteil (RC-Glied der Polarisationseffekte) sowie dem Gesamtwiderstand im PT1-Glied über weite Temperaturbereiche gering ist. Die einzelne Bestimmung der Werte von ohmschen und Polarisationswiderstand ist für den angestrebten Einsatzzweck nicht notwendig, außerdem erfolgt durch die getroffene Vereinfachung die Innenwiderstandsbestimmung deutlich robuster.
Ist eine Bestimmung des rein ohmschen Widerstands gewünscht, kann über den durch Referenzmessungen ermittelbaren in der Temperatur nichtlinearen statischen Zusammenhang zwischen ermitteltem Widerstandswert des reinen PT1-Glieds auch der rein ohmsche Widerstandsanteil ermittelt werden.
Nach Abzug der Leerlaufspannung von der gemessenen Spannung, wird die Modellidentifikation mittels rekursiver Least-Squares-Schätzung (LS-Schätzung) durchgeführt, was bei diesem einfachen Modell erster Ordnung auch auf einem Fahrzeugsteuergerät erfolgen kann. Hiernach wird der Innenwiderstand aus den Modellparametern wie folgt berechnet: b₁a₁ ⇒ R_i = b₁ / 1+a₁
Beim Anwenden des Verfahrens auf eine neue und eine gealterte Zelle ergaben sich die in 4 dargestellten Innenwiderstandskennlinien über der Temperatur, wobei die neue Zelle links und die gealterte Zelle rechtsseitig eines jeden Diagramms dargestellt ist. Es ist eine deutliche Temperaturabhängigkeit des Innenwiderstandes zu erkennen. Der Ladezustand der Batteriezelle hatte im betrachteten Betriebsbereich jedoch keinen signifikanten Einfluss.
Bei Vergleich der Innenwiderstandswerte der gealterten und der neuen Zelle ist eine Erhöhung des Innenwiderstandes der gealterten Zelle um ca. 20% zur neuen Referenzzelle festzustellen. Hierbei handelt es sich um einen linearen Zusammenhang. Dies kann zur Rückführung der Alterung auf einen Kennwert genutzt werden. Hierfür wird die Innenwiderstandskennlinie über der Temperatur für die neue Zelle abgespeichert und mit einem Faktor zur Anpassung an die Werte der gealterten Zelle skaliert. Dieser Faktor stellt einen Kennwert für die Alterung dar. In 5 sind Wertepaare aus Temperatur und Innenwiderstand und der zugehörige Kennwert dargestellt. Im linken Bereich der Abbildung befinden sich Werte der neuen Zelle und im rechten Bereich die der gealterten Zelle. Es lässt sich eine Erhöhung des Kennwerts um ca. 20% feststellen. Eine Detektion der Alterung ist auf diesem Wege möglich. Zur Verbesserung der Robustheit des Verfahrens kann der Kennwert gefiltert werden, um auftretende Ausreißer zu eliminieren. Da bei niedrigen Temperaturen eher Ausreißer auftreten können, wird ein temperaturabhängiger gleitender Mittelwert verwendet. Das Ergebnis dieser Filterung ist in 6 dargestellt.
In 7 ist einen gegenüber 1 verfeinerter schematischer Ablaufplan des Verfahrens dargestellt. Der Ablaufplan bei einem Verbennungsmotor gliedert sich in drei Teilbereiche; die Datenaufzeichnung (links), die Modellindentifikation (Mitte) zur Ermittelung des Bautyps sowie die Alterungsdetektion. Hierbei ist zu bemerken, dass sich der Ablauf bei einem mir Brennstoffzelle betriebenem Fahrzeug nur dahingehend ändert, dass heirbei der Schritt der Erkennung des Starts dann auf die Inbetriebnahme und/oder Maßnahmen zur Inbetriebnahme der Brennstoffzelle bezieht.
Die Datenaufzeichnung (links) beginnt mit dem Start des Verbrennungsmotors, wobei hierbei die Erkennung des Start vorausgesetzt ist. Die nunmehr eingehenden Signalverläufe, insbesonde Strom- und Spannungsverläufe werden erfasst und als Datensätze zwischengespeichert. Dieser Vorgang kann insbesondere bei Start/Stopp-Betrieben mehrfach erfolgen.
Nach der Datenaufzeichnung erfolgt die Modellidentifikation (Mitte). Hierbei werden aus den zwischengespeicherten Datensätzen die benötigten Werte, insbesondere Spannung, Strom und Temperatur extrahiert. Die Spannungs- und Stromwerte dienen zuerst der Modellidentifikation mittels rekursiver Least Squares-Schätzung und zur anschließenden erechnung der Ri-Werte unter Zuhilfenahme der beschriebenen Ersatzschaltbilder bzw. Modelle.
Anschließend werden die Ri-Werte mit den verbliebenen Werten zusammengeführt und jeweils ein Kennwert eines jeden Wertepaares ermittelt.
Dieser Kennwert wird der Alterungsdetektion (rechts) übergeben wo nunmehr in der oben beschriebenen Weise eine Aktualisierung des Alterungskennwertes sowie dessen Speicherung erfolgt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007023901 A1 [0001]
DE 1020070230901 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Alterungszustandes einer Batterie, insbesondere einer Lithium Batterie, bei welchen Verfahren im Betrieb der Batterie auftretende Signalverläufe aufgenommen, aus den Signalverläufen Werte bestimmt und aus diesen Werten Kenndaten ermittelt werden, und bei dem aus den Kenndaten auf den Alterungszustand der Batterie geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf von Anregungssignalen zu Beginn eines Betriebsmodus erfasst wird, dass als Anregungssignale Signalverläufe gewählt werden, die die Batterie belasten und dass die Signalverläufe im regulären Betriebsmodus zu dessen Beginn auftreten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das bei einem Hybridfahrzeug als Anregungssignale Signalverläufe gewählt werden, die beim Starten eines Verbrennungsmotors auftreten
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Anregungssignale die Signalverläufe des Stroms und der Spannung der Batterie erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass von der gemessenen Spannung die Leerlaufspannung der Batterie abgezogen wird.
Verfahren nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zum Start eines Antriebs eines Fahrzeuges die Signalverläufe von Strom und Spannung der Batterie für eine maximale Abtastdauer von 5 sec, vorzugsweise 3 s und besonders bevorzugt von 2 s mit einer Abtastzeit von einem Hundertstel, bevorzugt einem Zweihundertstel/1/200) der Abtastdauer ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Batterie eine Lithium Batterie gewählt wird.