DE102010019128A1

DE102010019128A1 - Capacitance determination method for lithium ion battery of e.g. electrical propelled vehicle, involves integrating battery power up to quiescent current phase, and computing battery capacitance from integrated battery power

Info

Publication number: DE102010019128A1
Application number: DE102010019128A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Bernreuter Peter
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Bernreuter Peter De
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2010-04-30
Publication date: 2011-11-03
Anticipated expiration: 2030-05-01
Also published as: DE102010019128B4

Abstract

The method involves setting a quiescent current phase, and recognizing an open-circuit voltage (OCV) phase, where the quiescent current phase is in aging-independent region. Battery power up to the quiescent current phase is integrated. Battery capacitance is computed from integrated battery power, where the battery capacitance is computed by satisfying a specific relationship between state of batch (SOC) and current of a battery.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Kapazität einer Batterie nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a method for determining the capacity of a battery according to the closer defined in the preamble of claim 1.

Bei Batterien gemäß dem Stand der Technik ist es von entscheidender Bedeutung, den momentanen Ladezustand einer Batterie zu kennen. Bei der Angabe einer momentanen in der Batterie vorhandenen Ladekapazität (gemessen in As) wird oftmals auf den sogenannten SOC („State of Charge”) Bezug genommen. Darunter versteht man die verfügbare Ladung einer Batterie, wie etwa einer Lithium-Ionen-Batterie, bezogen auf ihre Gesamtladekapazität. Der SOC kann durch Bestimmung der Ruhespannung OCV („Open Circuit Voltage”) ermittelt werden. Mit abnehmender/zunehmender Batteriekapazität sinkt/steigt die Leerlaufspannung der Batterie.In the case of batteries according to the prior art, it is of crucial importance to know the instantaneous state of charge of a battery. When specifying a current charge capacity present in the battery (measured in As), reference is often made to the so-called SOC ("state of charge"). This is the available charge of a battery, such as a lithium-ion battery, based on its total charge capacity. The SOC can be determined by determining the open circuit voltage OCV (Open Circuit Voltage). With decreasing / increasing battery capacity, the no-load voltage of the battery decreases / increases.

Bei Batterien gemäß dem Stand der Technik verändert sich im Betrieb durch verschiedene Prozesse, ausgelöst durch kalendarische oder zyklische Alterung, der Zusammenhang zwischen SOC und OCV. Dies hat zur Folge, dass eine zuverlässige Beurteilung des Ladezustandes erschwert wird. Zusätzlich kann sich in Folge der Alterung auch die Gesamtkapazität der Batterie verringern.In batteries according to the prior art, the relationship between SOC and OCV changes during operation as a result of various processes triggered by calendar or cyclic aging. This has the consequence that a reliable assessment of the state of charge is difficult. In addition, the overall capacity of the battery may also decrease as a result of aging.

Für die Nutzbarkeit einer Batterie insbesondere in einem Fahrzeug, wie etwa einem rein elektrisch angetriebenen Fahrzeug (EV) oder einem Plugin-Hybrid, das eine Batterie als Energiespeicher einsetzt, ist eine genaue Kenntnis der aktuellen Ladekapazität als auch der genaue SOC-OCV-Zusammenhang wichtig. Auch für Service- oder Reparaturarbeiten muss die Ladekapazität diagnostizierbar sein.For the usability of a battery, especially in a vehicle, such as a purely electrically powered vehicle (EV) or a plug-in hybrid, which uses a battery as energy storage, an accurate knowledge of the current charging capacity as well as the exact SOC-OCV relationship is important , Also for service or repair work, the loading capacity must be diagnosable.

Momentan wird gemäß dem Stand der Technik über eine Aufzeichnung kalendarischer Daten und eine Aufzeichnung der Belastung der Batterie während der Lebenszeit die Verluste durch die Alterungsprozesse geschätzt. Dies wird auch für Diagnosezwecke durchgeführt. Da diese Schätzung aber mit zunehmender Lebens- und Betriebsdauer ungenauer wird, muss die tatsächlich verfügbare Kapazität größer dimensioniert werden als die angegebene Normkapazität. So kann eine ausreichende Kapazität für den Fahrbetrieb sichergestellt werden. Dadurch wird verhindert, dass die Batterie während der angenommenen Lebenszeit überlastet wird.Currently, according to the state of the art, a record of calendar data and a record of the load on the battery during the lifetime estimates the losses due to the aging processes. This is also done for diagnostic purposes. However, as this estimate becomes more inaccurate with increasing life and operating time, the actual available capacity must be made larger than the specified standard capacity. Thus, a sufficient capacity for driving can be ensured. This prevents the battery from being overloaded for the expected lifetime.

Nachteilig daran ist einerseits, dass dadurch die Batterie nicht voll genutzt werden kann und prinzipiell größer als eigentlich notwendig dimensioniert werden muss. Andererseits ist trotzdem keine exakte Vorhersage der Restkapazität möglich.The disadvantage of this is on the one hand that thereby the battery can not be fully utilized and in principle larger than actually necessary dimensions must be. On the other hand, nevertheless, no exact prediction of the residual capacity is possible.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Kapazität einer Batterie insbesondere in einem Fahrzeug zu bestimmen.It is an object of the present invention to determine the capacity of a battery, especially in a vehicle.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Besonders bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.According to the invention this object is achieved by a method having the features mentioned in claim 1. Particularly preferred embodiments of the solution according to the invention emerge from the dependent claims.

Es wird eine erste Ruhespannungsphase der Batterie erkannt, d. h. eine Phase, in der der Batterie kein Strom entnommen wird. Es liegt also die Ruhespannung (OCV) an. Dieser Wert kann aufgezeichnet werden.It is detected a first resting voltage phase of the battery, d. H. a phase in which no power is drawn from the battery. So it is the rest voltage (OCV). This value can be recorded.

Es hat sich herausgestellt, dass die OCV-SOC-Kennlinie nicht gleichmäßig altert, sondern dass es Bereiche gibt, die im Betrieb und auch bei der kalendarischen Alterung eines starken Veränderung unterliegen, während es auch Bereiche gibt, die sich nicht oder nur verhältnismäßig wenig ändern.It has been found that the OCV-SOC characteristic curve does not age evenly, but that there are areas that undergo a great change in operation as well as in calendar aging, while there are also areas that do not or only relatively little change ,

Vorteilhafterweise befindet sich folglich der Ladezustand der Batterie in der ersten Ruhespannungsphase in einem Bereich der OCV-SOC-Kennlinie, der bei der Alterung nicht beeinflusst wird.Advantageously, therefore, the state of charge of the battery in the first standby phase is in a range of the OCV-SOC characteristic which is not affected by aging.

Danach wird der Batteriestrom bis zu einer zweiten Ruhestromphase integriert. Auch hier ist es von Vorteil, wenn in dieser zweiten Ruhestromphase ein Bereich aufgesucht wird, der von der Alterung wenig bis gar nicht beeinflusst wird.Thereafter, the battery current is integrated until a second quiescent current phase. Again, it is advantageous if in this second quiescent current phase, an area is visited, which is affected by the aging little to no.

Auf Basis dieser Integration wird die Batteriekapazität berechnet.Based on this integration, the battery capacity is calculated.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert ist.Further advantageous embodiments of the method will become apparent from the remaining dependent claims and will be apparent from the embodiment, which is explained below with reference to the figures.

Dabei zeigen:Showing:

1 ein OCV-SOC-Diagramm mit Kennlinien einer Batterie in verschiedenen Alterungszuständen; und 1 an OCV-SOC diagram with characteristics of a battery in different aging states; and

2 ein OCV-SOC-Diagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens. 2 an OCV-SOC diagram for explaining the method according to the invention.

Unter der Kapazität einer Batterie wird vorliegend der nutzbare Ladungsdurchsatz der Batterie in einem vorgegebenen Spannungsbereich verstanden. Die verfügbare Gesamtkapazität einer Batterie bestimmt sein Lebensende und beeinflusst die Reichweite eines Fahrzeugs beispielsweise bei einem Einsatz in einem Fahrzeug als Energiespeicher. Die Genauigkeit bei der Ermittlung der augenblicklichen Restkapazität einer Batterie bestimmt die Zuverlässigkeit einer Reichweitenprognose für den Fahrer.In the present case, the capacity of a battery is understood to be the usable charge throughput of the battery in a predetermined voltage range. The total available capacity of a battery determines its end of life and affects the range of a vehicle, for example, when used in a vehicle as energy storage. The accuracy in determining the The instantaneous remaining capacity of a battery determines the reliability of a range prognosis for the driver.

1 veranschaulicht den Alterungsprozess einer Batterie. In dem dargestellten OCV-SOC-Diagramm sind verschiedene Kennlinien einer Batterie nach einer bestimmten Anzahl an Zyklen dargestellt. Wie deutlich erkennbar ist, verändert sich die OCV-SOC-Kennlinie während des Betriebs. Dabei existieren Bereiche, in denen sich die OCV-SOC-Kennlinie im Laufe des Zyklierens deutlich ändert, während Bereich existieren, in denen keine oder nahezu keine Veränderung der Kennlinie stattfindet. Bereich der letztgenannten Art sind beispielsweise zwischen 30 und 40 Prozent SOC sowie oberhalb von 80 Prozent SOC erkennbar. 1 illustrates the aging process of a battery. In the illustrated OCV-SOC diagram, various characteristics of a battery are shown after a certain number of cycles. As can be clearly seen, the OCV-SOC characteristic changes during operation. There are areas in which the OCV-SOC characteristic changes significantly in the course of cycling, while there are areas in which no or almost no change in the characteristic curve takes place. Range of the latter type, for example, between 30 and 40 percent SOC and above 80 percent SOC can be seen.

Erfindungsgemäß kann nun auf die aktuelle tatsächliche Kapazität der Batterie aus mindestens zwei Messpunkten einer Kennlinie und einem Stromintegral über I(t) zwischen den Messpunkten rückgeschlossen werden. Dies erfolgt dadurch, dass zunächst eine Ruhespannungsphase OCV erkannt wird. Anschließend wird der Batteriestrom bis zu einer zweiten OCV-Ruhespannungsphase integriert. Die Batteriekapazität wird durch Teilen des Stromintegrals durch die OCV-Differenz berechnet.According to the invention, the current actual capacity of the battery can be deduced from at least two measuring points of a characteristic curve and a current integral over I (t) between the measuring points. This is done by first recognizing a quiescent voltage phase OCV. Subsequently, the battery current is integrated until a second OCV rest voltage phase. The battery capacity is calculated by dividing the current integral by the OCV difference.

2 veranschaulicht dieses Prinzip. An dem Punkt t1 wird eine erste Ruhespannungsphase (OCV) erkannt. Nachfolgend wird der Batteriestrom bis zu der zweiten Ruhespannungsphase an dem Punkt t2 integriert. Dies lässt sich durch folgende Formel veranschaulichen:

2 illustrates this principle. At the point t1, a first quiescent voltage (OCV) phase is detected. Subsequently, the battery current is integrated until the second standby phase at the point t2. This can be illustrated by the following formula:

Die Berechnung der Kapazität C der Batterie erfolgt gemäß der Formel:

The calculation of the capacity C of the battery takes place according to the formula:

Das erfindungsgemäße Verfahren kann dadurch verbessert werden, dass alterungsunabhängige OCV-Bereiche angefahren werden. Dies kann in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug beispielsweise dadurch erreicht werden, dass gezielt hohe Spannungsphasen während der Ladephase eingestellt werden, die in alterungsunabhängigen Bereichen liegen. Des Weiteren kann ein Mitloggen im Betrieb während Standzeiten erfolgen. Die Berechnung der Kapazität ohne Alterungseinfluss erfolgt dann anhand alterungsunabhängiger OCV-Punkte mittels des oben genannten Zusammenhangs.The method according to the invention can be improved by approaching aging-independent OCV regions. This can be achieved in an electrically driven vehicle, for example, by deliberately setting high voltage phases during the charging phase, which are in non-aging areas. Furthermore, logging in during operation can be done during standstill. The calculation of the capacity without the influence of aging then takes place on the basis of age-independent OCV points by means of the above-mentioned relationship.

Dieses Vorgehen bietet sich insbesondere bei Ladephasen in einem rein elektrisch angetriebenen Fahrzeug (EV) oder einem Plug-In an, da sich hier Lade- und Entladephase nicht abwechseln und dadurch Offset-Fehler bei der Strommessung weniger Einfluss auf das Stromintegral haben. Des Weiteren können, wie erwähnt, bestimmte OCV-Phasen durch gezieltes Einstellen von Ruhephasen (Strom = 0) eingestellt werden. Es können somit gezielt alterungsunabhängige Bereiche der OCV-SOC-Kurve verwendet werden, um die Batteriekapazität zu ermitteln.This procedure is particularly suitable for charging phases in a purely electrically driven vehicle (EV) or a plug-in, since here charge and discharge phase do not alternate and thereby offset errors in the current measurement have less impact on the current integral. Furthermore, as mentioned, certain OCV phases can be adjusted by selective adjustment of rest phases (current = 0). Thus, age-independent regions of the OCV-SOC curve can be used to determine the battery capacity.

Für die verbleibenden alterungsabhängigen Bereiche der OCV-SOC-Kennlinie kann der neue Verlauf dadurch ermittelt werden, dass neue Stützpunkte bestimmt werden. Diese können dadurch ermittelt werden, dass der Strom beginnend von einer alterungsunabhängigen OCV-Phase aufintegriert wird bis zu einer weiteren OCV-Phase. Nach der ermittelten Gesamtkapazität und dem Stromintegral zwischen den beiden OCV-Punkten kann der zweiten OCV-Phase der zugeordnete neue SOC-Wert zugeordnet werden. So kann Punkt für Punkt die gealterte OCV-SOC-Kennlinie „on board” bestimmt werden.For the remaining aging-dependent areas of the OCV-SOC characteristic curve, the new course can be determined by determining new interpolation points. These can be determined by the fact that the current is integrated starting from an age-independent OCV phase up to a further OCV phase. After the total capacity determined and the current integral between the two OCV points, the second OCV phase can be assigned the assigned new SOC value. Thus, the aged OCV-SOC characteristic "on board" can be determined point by point.

Bei einem Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Hybridfahrzeug können die gewünschten alterungsunabhängigen Punkte beispielsweise durch Beeinflussung der Lastpunktverschiebung zwischen der Batterie und dem Verbrennungsmotor angesteuert werden.When using the method according to the invention in a hybrid vehicle, the desired age-independent points can be controlled, for example, by influencing the load point shift between the battery and the internal combustion engine.

Hohe Spannungsphasen können auch bei geringen C-Raten über einen definierten Zeitbereich direkt aus der Zellspannung als Näherung rückgerechnet werden unter Berücksichtigung des Spannungsabfalles durch den ohmschen Innenwiderstand der Zelle (R·I), der Polarisations- und Diffusionsspannung (zeitabhängige Ausgleichsvorgänge bei Stromsprüngen) zum Beispiel durch PT1-Glieder als auch elektrischer Kapazitäten (C·du/dt).High voltage phases can be recalculated directly from the cell voltage as an approximation even at low C-rates over a defined time range, taking into account the voltage drop through the ohmic internal resistance of the cell (R · I), the polarization and diffusion voltage (time-dependent compensation processes for current jumps), for example by PT1 elements as well as electrical capacitances (C · du / dt).

Bei Ermittlung der Batteriekapazität über Key-Cycles hinweg im Fahrzeug muss bei der Ermittlung des Stromintegrals das Integral des Stromes für den Eigenverbrauch für das Batteriemanagementsystem der Batterie und der Selbstentladung der Batterie zu dem gemessenen Stromintegral addiert werden.When determining the battery capacity across key cycles in the vehicle, in determining the current integral, the integral of the self-consumption current for the battery management system of the battery and the self-discharge of the battery must be added to the measured current integral.

Durch die Erfindung ist eine bessere Nutzung der Batterie möglich, da keine Überdimensionierung mehr notwendig ist. Eine Schädigung der Batterie durch Überbeanspruchung kann vermieden werden. Insbesondere treten auch keine Momentensprünge im Fahrzeug auf. Bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen und bei Plug-Ins werden das Liegenbleiben der Fahrzeuge durch eine falsche Reichweitenbestimmung vermieden.By the invention, a better use of the battery is possible because no oversizing is necessary. Damage to the battery due to overstress can be avoided. In particular, no torque jumps occur in the vehicle. In electrically driven vehicles and plug-ins, the vehicles are left lying by a wrong range determination avoided.

Claims

A method of determining the capacity of a battery, comprising the steps of: detecting a first standby voltage phase; Integrating the battery current up to a second closed-circuit phase; and Calculate the battery capacity from the integrated battery power.

A method according to claim 1, characterized in that the detection of a quiescent current phase precedes the setting of a quiescent current phase.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the first and / or the second closed-circuit phase are in a non-aging area.