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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Leistungsgrenze einer Batterie für ein Fahrzeug, bei welchem wenigstens ein einzuhaltender Grenzwert einer elektrischen Größe der Batterie bestimmt wird.
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Um eine vorzeitige Alterung der Batterie zu verhindern, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, Grenzwerte der Spannung und des Stroms vorzugeben, welche eingehalten werden sollten. Die für eine noch nicht gebrauchte Batterie einzuhaltenden Grenzwerte des Stroms und der Spannung können hierbei Spezifikationen entnommen werden, welche etwa vom Hersteller der Batterie verfügbar gemacht werden. Jedoch ist es wünschenswert, auch im Fahrbetrieb die Leistungsgrenze der Batterie zu kennen, um einerseits möglichst viel Leistung zur Verfügung stellen zu können und andererseits hierbei kritische Zustände zu vermeiden, welche die Alterung der Batterie beschleunigen.
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Um zu verhindern, dass Strom- oder Spannungsgrenzen der Batterie beim Betreiben derselben erreicht werden, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, einen großen Sicherheitsabstand zwischen der freigegebenen Obergrenze und Untergrenze des Stroms und der Spannung und den tatsächlich im Hinblick auf die Alterung der Batterie kritischen Grenzen vorzusehen.
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Um das Verhalten der Batterie abzubilden, ist es aus dem Stand der Technik des Weiteren bekannt, ein adaptives Kennfeld zu nutzen. Hierbei führen Abweichungen von in der Vergangenheit prognostizierten Leistungsgrenzen und den tatsächlich verfügbaren Leistungsgrenzen dazu, dass das Kennfeld, welches durch Polynome zweiter Ordnung dargestellt wird, kontinuierlich korrigiert wird.
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Als nachteilig macht sich hierbei bemerkbar, dass die Belastungshistorie der Batterie nicht erfasst wird, und dass die Genauigkeit beim Ermitteln der Leistungsgrenzen bei selten auftretenden Arbeitspunkten vergleichsweise gering ist. Zudem geht die Ermittlung der maximal verfügbaren Leistung mit einem besonders hohen Rechenaufwand einher.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches es ermöglicht, die tatsächlich vorhandenen Leistungsgrenzen der Batterie besonders weitgehend auszunutzen hierbei und für die Alterung der Batterie kritische Zustände zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ermitteln einer Leistungsgrenze einer Batterie für ein Fahrzeug wird wenigstens ein einzuhaltender Grenzwert einer elektrischen Größe der Batterie bestimmt. Hierbei wird zum Bestimmen des wenigstens einen einzuhaltenden Grenzwerts ein Ersatzschaltbild verwendet, wobei anhand von Größen von Komponenten des Ersatzschaltbilds ein Verhalten der Batterie modelliert wird. Aufgrund der Verwendung des Ersatzschaltbilds kann die nutzbare Leistung der Batterie optimiert werden, ohne dass unnötig hohe Sicherheitsabstände der freigegebenen Leistung von der tatsächlich verfügbaren Leistung vorgesehen zu werden brauchen.
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Es kann so eine Erhöhung der nutzbaren Batterieleistung von 5% bis 10% erreicht werden. Dennoch können Zustände vermieden werden, die eine vorzeitige Alterung der Batterie beschleunigen. Durch das zuverlässige Prognostizieren der verfügbaren Leistung können bei Verwendung der Batterie im Fahrzeug unerwünschte Drehmomenteinbrüche aufgrund falsch vorhergesagter Leistungsfähigkeit vermieden werden. Dies erhöht den Fahrtkomfort, wenn die Batterie in dem Fahrzeug zum Einsatz kommt. Bei der Batterie kann es sich insbesondere um eine Lithium-Ionen-Batterie handeln.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei einer eine Mehrzahl von Zellen aufweisenden Batterie mindestens ein jeweils einzuhaltender Grenzwert je Zelle bestimmt. Dadurch kann verhindert werden, dass die Überschreitung bzw. Unterschreitung von oberen bzw. unteren Grenzwerten der mindestens einen elektrischen Größe einer einzelnen Zelle zu einer Alterung eben dieser Zelle führt, welche die langfristige Leistungsfähigkeit der gesamten Batterie einschränken würde.
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Bei dem Verfahren können eine Polarisationsspannung und/oder eine Temperatur und/oder ein Ladezustand wenigstens einer Zelle der Batterie durch einen Beobachter ermittelt werden. Ausgehend von den durch diese Parameter beschriebenen Zuständen können dann die einzuhaltenden Grenzwerte der elektrischen Größe unter Verwendung des Ersatzschaltbilds ermittelt werden.
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Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn ein unter Verwendung des Ersatzschaltbilds erhaltener Wert einer elektrischen Größe mit einem Wert verglichen wird, welcher eine Spezifikation der Batterie angibt. Es kann so verifiziert werden, ob der modellierte, also mittels des Ersatzschaltbilds erhaltene Wert nicht bereits die – etwa vom Hersteller vorgegebene – Spezifikation der Batterie, oder bei Verwendung mehrerer Zellen je Batterie der jeweiligen Zelle, verletzt.
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Beispielsweise kann durch Verwendung des Ersatzschaltbilds ein maximaler Strom modelliert werden, welcher bei der maximal zulässigen Spannung in der Zelle vorliegt. In analoger Weise ist dies für den minimalen Strom bei der minimalen Spannung durchführbar. Liegt der Wert des minimal oder maximal einzuhaltenden, modellierten Stroms innerhalb der durch die Spezifikation vorgegebenen Grenzen, so wird für die weitere Ermittlung der Leistungsgrenzen der Batterie der jeweils stärker limitierende Wert herangezogen.
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Hierbei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn eine weitere elektrische Größe mit dem die Leistungsgrenze der Batterie stärker limitierenden Wert der ersten elektrischen Größe als Eingangsgröße unter Verwendung des Ersatzschaltbilds ermittelt wird. So kann etwa der maximale Strom, welcher durch die Spezifikation vorgegeben ist, als Eingangsgröße herangezogen werden, um die Spannung zu modellieren. Ist jedoch der Wert des unter Verwendung des Ersatzschaltbilds modellierten maximalen Stroms geringer als der durch die Spezifikation vorgegebene Wert des maximalen Stroms, so wird dieser Wert als Eingangsgröße zum Ermitteln der maximalen Spannung über das Modell herangezogen.
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Wenn die Batterie eine Mehrzahl von Zellen aufweist, wird die Leistungsgrenze der Batterie unter Berücksichtigung des eine einzelne Zelle der Batterie jeweils am stärksten limitierenden Werts ermittelt.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 ein Ersatzschaltbild einer Lithium-Ionen-Batterie, bei welcher einzelne Zellen der Batterie in Reihe geschaltet sind; und
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2 ein Ablaufdiagramm zum Ermitteln der einzuhaltenden Spannung der Batterie.
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Ein in 1 gezeigtes Ersatzschaltbild 10 einer Lithium-Ionen-Batterie ermöglicht die Abbildung der Dynamik und der unterschiedlichen Zustände einzelner Zellen 24 der Batterie. Hierbei umfasst ein Ersatzschaltbild einer einzelnen Zelle 24 eine Reihenschaltung aus einer Spannungsquelle 12, einem Innenwiderstand 14 und zwei Parallelschaltungen 16, 18, wobei jede Parallelschaltung einen Widerstand 20 mit veränderbarem Widerstandswert und einen Kondensator 22 mit veränderbarem Kapazitätswert umfasst. Die beiden Parallelschaltungen 16, 18, welche auch als RC-Glieder bezeichnet werden, ermöglichen es, Polarisationseffekte der einzelnen Zellen 24 wiederzugeben. Durch die Verwendung von zwei RC-Gliedern je Zelle 24 kann die Polarisation, also das Auftreten einer durch die Bewegung geladener Teilchen hervorgerufenen Gegenspannung in der Zelle 24, mit hinreichender Genauigkeit erfasst werden.
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Vorliegend ist eine Mehrzahl von Zellen 24 schaltungstechnisch in Reihe angeordnet, jedoch ist das vorliegend beschriebene Verfahren zur Ermittlung der Leistungsgrenzen der Batterie auch auf Batterien übertragbar, in denen nicht alle Zellen 24 in Reihe geschaltet sind.
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Für jede Zelle 24 werden die Zustandsgrößen der Temperatur und des Ladezustands durch Beobachten der Spannung und des Stroms geschätzt. Die Spannung und der Strom werden hierbei kontinuierlich gemessen. Außerdem wird durch Beobachten des Stroms die Polarisationsspannung geschätzt. Beim Beobachten der Zellzustände kann die Alterung berücksichtigt werden, indem Korrekturfaktoren für die Zellkapazität und den Zellinnenwiderstand in die Berechnung mit einfließen. Solche Korrekturfaktoren können beispielsweise ermittelt werden, indem bei einem vergleichsweise großen Spannungsimpuls aus der Veränderung der Spannung und der damit einhergehenden Änderung des Stroms ein Korrekturwert für den Innenwiderstand berechnet wird.
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Ein Anfangswert der Temperatur wird gemessen, wobei aus der außen an der Zelle 24 gemessenen Temperatur die tatsächlich im Inneren der Zelle 24 vorliegende Temperatur anhand eines thermischen Modells geschätzt wird. Der Ladezustand der Batterie kann aus der Ruheklemmenspannung UOCV bestimmt werden. Die Veränderungen des Ladezustands können durch Messen des Stroms erfasst werden.
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Die Batteriegrenzen werden explizit durch sequenzielle Überprüfung der Spannungs- und Stromlimits berechnet. Hierbei werden, wie anhand von 2 erläutert werden soll, in einem ersten Schritt 26 die Zellgrenzen ermittelt. Hierfür wird anhand der Temperatur der Zelle 24 anhand von Kennlinien eine Obergrenze und eine Untergrenze der Spannung ausgegeben. Hierbei kann vorteilhaft zwischen Grenzen unterschieden werden, welche bei einer Dauerbelastung der Zelle eingehalten werden sollen und Grenzen, welche während eines kurzen, beispielsweise nur zehn bis zwanzig Sekunden, insbesondere achtzehn Sekunden, andauernden Belastens der Zelle nicht unter- bzw. überschritten werden sollen.
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Unter Verwendung des in 1 gezeigten Ersatzschaltbilds 10 erfolgt anschließend ein Modellieren 28 des jeweiligen Zellstroms, welcher sich einstellt, wenn die Zellspannungsgrenze der jeweiligen Zelle 24 gerade eingehalten wird. Beispielsweise wird der Wert des Stroms modelliert, welcher sich maximal einstellt, wenn an der jeweiligen Zelle 24 die in Schritt 26 ermittelte maximale Spannung anliegt. In analoger Weise wird dies für die minimale Spannung je Zelle 24 durchgeführt.
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Anschließend erfolgt ein Auswählen 30 derjenigen Zelle, bei welcher sich durch das Modellieren 28 der geringste Strom einstellt. Bei dieser kritischsten Zelle 24 muss nämlich darauf geachtet werden, dass der tatsächlich von der Batterie gelieferte Strom nicht diesen maximalen Wert des Stroms überschreitet. In analoger Weise wird beim Ermitteln der unteren Stromgrenze diejenige Zelle 24 ausgewählt, bei welcher sich der größte anhand des Ersatzschaltbilds 10 modellierte Strom einstellt.
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Anschließend erfolgt ein Überprüfen 32, ob diese modellierten minimalen und maximalen Werte des Zellstroms die durch die Spezifikation der Zelle 24 angegebenen Grenzen verletzt.
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Wenn beispielsweise das Modellieren des Werts des Stroms für die kritischste Zelle 24 einen Wert von mehr als 100 Ampere, etwa von 105 Ampere, ergibt, jedoch die Spezifikation lediglich einen Wert von 100 Ampere zulässt, würde mit 105 Ampere die Stromgrenze verletzt. Ein anschließendes Berechnen 34 der Spannung der jeweiligen Zelle 24 erfolgt dann mit dem die Leistungsgrenze der Batterie stärker limitierenden Wert des Stroms, im Beispiel also mit dem Strom von 100 Ampere. In analoger Weise wird für die untere Stromgrenze verfahren.
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Es werden so sequenziell Spannungs- und Stromgrenzen der einzelnen Zellen 24 berechnet, wobei sichergestellt ist, dass für keine Zelle 24 die zulässige Mindestspannung unterschritten und die zulässige Höchstspannung und der zulässige Höchststrom in Lade- und/oder Entladerichtung überschritten werden. Bei den in Reihe geschalteten einzelnen Zellen 24 der Batterie erfolgt das Berechnen der Spannung der Batterie durch Aufsummieren 36 der einzelnen Spannungen der Zellen 24.
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Für eine Prognose der Leistungsgrenzen der Batterie über einen vorbestimmten Zeitraum hinweg, etwa über einen Zeitraum von 20 Sekunden, werden die in 2 beschriebenen Schritte mehrfach durchlaufen und die Dynamik wird berücksichtigt. Ergibt sich zu einem bestimmten Zeitpunkt zwischen einem Anfangszeitpunkt und einem Endzeitpunkt des Prognosezeitraums ein Minimum bezogen auf die Obergrenze bzw. ein Maximum bezogen auf die Untergrenze, so werden das Minimum und das Maximum ausgewählt, um die im Prognosezeitraum einzuhaltenden Grenzen anzugeben.
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Mit dem vorliegend beschriebenen Verfahren lassen sich die Unterschiede der einzelnen Zellen 24 sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Strömen sehr gut modellieren. Hierbei hat sich herausgestellt, dass die mittels der Modellierung unter Verwendung des Ersatzschaltbilds 10 berechneten Grenzen weniger restriktiv sind als geregelte Grenzen.
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Damit kann, ohne dass es zu für die Alterung der Batterie kritischen Zuständen kommt, eine besonders hohe Leistung der Batterie verfügbar gemacht werden. Die Prognose der Leistungsgrenzen der Batterie ist insbesondere für ein Zeitraum von bis zu zehn Sekunden sehr genau.
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Durch das vorliegend beschriebene Verfahren kann dafür gesorgt werden, dass die Batterie nie außerhalb ihrer Leistungsgrenzen betrieben wird. Dadurch, dass die Leistungsgrenzen vergleichsweise genau vorhergesagt werden können, kann auf konservative, die Überlastung der Batterie vermeidende Sicherheitsabstände bei Spannung und Strom verzichtet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Ersatzschaltbild
- 12
- Spannungsquelle
- 14
- Innenwiderstand
- 16
- Parallelschaltung
- 18
- Parallelschaltung
- 20
- Widerstand
- 22
- Kondensator
- 24
- Zelle
- 26
- Schritt
- 28
- Modellieren
- 30
- Auswählen
- 32
- Überprüfen
- 34
- Berechnen
- 36
- Aufsummieren
- UOCV
- Ruheklemmenspannung
