DE102010050980A1

DE102010050980A1 - Bestimmung des Ladezustands einer Batterie

Info

Publication number: DE102010050980A1
Application number: DE102010050980A
Authority: DE
Inventors: Jan Dipl.-Ing. Kipping (BA), 70193
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-11-10
Filing date: 2010-11-10
Publication date: 2011-06-30

Abstract

Ein Verfahren dient zur Bestimmung des Ladezustands einer Batterie, insbesondere einer automotiven Batterie, mit den Schritten: Erfassen zumindest eines Teils einer OCV-Kennlinie der Batterie in einem aktuellen Zustand; Ermitteln zumindest eines alterungsunabhängigen Punktes der OCV-Kennlinie durch Bilden einer Differenzfunktion zwischen einer vorab gespeicherten OCV-Kennlinie und der OCV-Kennlinie der Batterie im aktuellen Zustand und Ermitteln einer Nullstelle der Differenzfunktion; Wählen eines beliebigen ersten Arbeitspunktes der Differenzfunktion; Wählen eines zugehörigen beliebigen zweiten Arbeitspunktes derart, dass der zweite Arbeitspunkt auf der anderen Seite der Nullstelle liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands einer Batterie nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art sowie eine Batterieeinrichtung gemäß Anspruch 6.
Für die Bestimmung eines momentanen Ladezustandes einer Batterie wird für gewöhnlich der Zusammenhang zwischen der Leerlaufspannung (auch Ruhespannung, Ruheklemmenspannung oder Open Circuit Voltage – OCV-Spannung genannt) und der momentanen Kapazität der Batterie verwendet. Mit abnehmender/zunehmender Batteriekapazität sinkt/steigt die Leerlaufspannung der Batterie. Unter Kapazität wird vorliegend der nutzbare Ladungsdurchsatz der Batterie in einem vorgegebenen Spannungsbereich verstanden. Der Zusammenhang zwischen der OCV-Spannung und der Kapazität der Batterie kann als OCV-Kennlinie dargestellt werden. Bei einem Zyklieren (Be-/Entladen) einer Batterie findet eine Alterung der Batterie statt, aber auch alleine durch Zeitablauf (kalendarische Alterung) erfolgt eine Verschlechterung der Batterieeigenschaften. Diese Alterungsvorgänge sind in der OCV-Kennlinie erkennbar, das heißt der Zusammenhang zwischen der Batteriekapazität und der OCV-Spannung ändert sich. Infolge kann ohne eine erneute Aufnahme der vollständigen OCV-Kennlinie der Ladezustand anhand der OCV-Spannung nicht mehr exakt bestimmt werden. Dies ist insbesondere bei einem Einsatz der Batterie in einem Fahrzeug als Energiequelle problematisch. Ohne Kenntnis des genauen Ladezustands ist das Fahrzeugverhalten nicht mehr exakt vorhersagbar, insbesondere kann dies auch zu einem Liegenbleiben des Fahrzeugs aufgrund eines falsch angezeigten Ladezustands der Batterie führen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Ladezustand einer Batterie möglichst genau zu bestimmen.
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.
Zur Bestimmung der Kapazität einer Batterie wird eine OCV-Kennlinie der Batterie in einem aktuellen Zustand erfasst. Diese OCV-Kennlinie beziehungsweise Teile derselben werden beispielsweise bei einer Batterie, die in einem Fahrzeug eingesetzt wird, im Fahrbetrieb erfasst. Dabei ist nicht immer das Anfahren beliebiger OCV-Kapazitäts-Zustände möglich. Insbesondere sind Fahrprofile wahrscheinlich, in denen bestimmte Randbereiche nicht erreicht werden. Allerdings ist es zur Ermittlung der OCV-Kennlinie nötig, dass zumindest gelegentlich eine Bestimmung der Ruhespannung möglich ist.
Es wird ein alterungsunabhängiger Punkt in der OCV-Kennlinie ermittelt. Dies kann beispielsweise durch Vergleichen der aktuell ermittelten OCV-Kennlinie mit einer früher gespeicherten OCV-Kennlinie durchgeführt werden.
In der Umgebung des ermittelten alterungsunabhängigen Punktes wird ein Arbeitspunkt gewählt. Dieser kann mit einem beliebigen Abstand von dem alterungsunabhängigen Punkt positioniert werden.
Es wird der Ladungshub zwischen dem Arbeitspunkt und dem alterungsunabhängigen Punkt ermittelt. Dazu kann entlang der aktuell ermittelten OCV-Kennlinie die zugehörige Kapazität aufintegriert werden, um so den Ladungsdurchsatz beziehungsweise den Ladungshub zu ermitteln.
In gleicher Weise kann für die entsprechenden Punkte bei einer vorab gespeicherten OCV-Kennlinie verfahren werden. Der Vergleich der ermittelten Ladungshübe erlaubt dann eine Aussage über die erfolgte Alterung.
Somit kann im Betrieb, insbesondere bei einem Fahrzeug im Fahrbetrieb, eine Anpassung der OCV-Kennlinie „onboard” an die stattfindenden Alterungsvorgänge vorgenommen werden und die Zuverlässigkeit der Vorhersage der Ladekapazität der Batterie erhöht werden.
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.
Dabei zeigen:
1 drei OCV-SOC-Kennlinien für verschiedene Alterungszustände einer Batterie;
2 drei OCV-Ladezustand-Kennlinien für drei unterschiedliche Alterungszustände;
3 vier OCV-SOC-Kennlinien für Batterien nach verschiedenen Alterungen;
4 ein OCV-Ladung-Diagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
5 zwei SOC-OCV-Kennlinien für Batterien mit unterschiedlichen Alterungszuständen;
6 die SOC-OCV-Kennlinien der 5 sowie eine Steigungsdifferenzkennlinie;
7 eine SOC-OCV-Steigungsdifferenzkennlinie sowie ein zugehöriges Steigungsintegral; und
8/9 die Steigungsdifferenz und das Steigungsintegral der 7, jeweils ergänzt um Auswertungspunkte.
Vor der Beschreibung der Ausführungsform der Erfindung werden einige grundlegende Begriffe definiert werden. Unter einer OCV-Spannung wird die „Open Circuit Voltage” oder Klemmenspannung verstanden, die sich an einer unbelasteten Batterie bei t → ∞ einstellt. Der SOC („State of Charge”) ist der relative Ladezustand der Batterie und wird in der Regel in Prozent angegeben. Unter der OCV-Kennlinie wird die Kennlinie verstanden, die eindeutig einer OCV-Spannung einen zugehörigen Ladezustand zuordnet. Bei einer OCV-Rekalibrierung findet eine Bestimmung des SOC anhand der OCV-Kennlinie statt. Die Batteriekapazität bezeichnet den nutzbaren Ladungsdurchsatz der Batterie von 0–100% SOC. Die Messung der Kapazität einer Batterie kann im Labor durch Vermessung der entnehmbaren Strommenge durch Entladung bis zur Entladeschlussspannung erfolgen. Im Fahrzeug erfolgt hierzu die Bestimmung des Ladedurchsatzes zwischen zwei OCV-Punkten. Anschließend wird die SOC-Differenz auf die Gesamtkapazität hochskaliert. Dies entspricht einer Bestimmung der Steigung von ΔLadungsdurchsatz/ΔSOC(OCV). Zur OCV-Vermessung wird die OCV-Kennlinie durch Beobachtung der OCV-Spannung bei vollständiger Entladung der Batterie bestimmt.
1 zeigt ein OCV-SOC-Diagramm, in dem OCV-Kennlinien für Batterien mit unterschiedlichen Alterungszuständen dargestellt sind. Folgende Alterungen der OCV-Kennlinie wurden beobachtet: Die OCV-Kennlinie bleibt im beobachteten Zeitraum nicht konstant. Die OCV-Kennlinie verschiebt sich erheblich am Arbeitspunkt. Randbereiche verändern sich kaum. Im Arbeitsbereich wurde eine Erhöhung der OCV-Spannung um ca. 1,5 gemessen. Damit ergeben sich Rekalibrierungsfehler von bis zu 8% SOC. In der 1 ist deutlich zu erkennen, wie sich mit zunehmender Alterung der Batterie die OCV-Kennlinie im Arbeitsbereich von ca. 30% SOC bis ca. 70% SOC in der dargestellten Pfeilrichtung verschiebt.
Neben der Alterung der OCV-Kennlinie findet auch eine Alterung der Kapazität C statt. Unter der Kapazität soll vorliegend der nutzbare Energiedurchsatz im vorgegebenen Spannungsbereich verstanden werden. Folgende Alterungen der Kapazität wurden beobachtet: Die Kapazität nimmt über die Alterung ab. Die Neukapazität einer HV-Lithium-Batterie als Energiequelle in einem Fahrzeug von beispielsweise 7 Ah steht nur eine sehr kurze Zeit (< 10 tkm) zur Verfügung. Die beobachteten Batterien pendeln sich auch bei hoher Kilometerleistung um 6,5 Ah ein. Kalendarisch vorgealterte Zellen verlieren erheblich schneller an Kapazität (5,5 Ah nach 30 tkm).
2 verdeutlicht diesen Zusammenhang. Die abgebildeten OCV-Ladezustand-Kennlinien wandern mit zunehmender Alterung in der 2 nach rechts und bieten somit einen geringeren Ladungshub je Spannungsbereich.
Die bezüglich der 1 und 2 beschriebenen Alterungseffekte laufen gleichzeitig kombiniert ab. Die Effekte scheinen nicht gekoppelt zu sein. Beide Effekte beeinflussen die Rekalibrierungsgenauigkeit und -häufigkeit erheblich.
4 zeigt vier unterschiedliche OCV-SOC-Kennlinien. Die mit „Kapazität und OCV-gealtert” bezeichnete Kennlinie stellt eine Kombination der beiden Alterungsvorgänge dar.
Es ist ein Gedanke der vorliegenden Erfindung, die Änderung der OCV-Kennlinie zu ermitteln und daraus einen Alterungsfaktor zu bestimmen, der den Verlauf der OCV-Kurve beschreibt.
Dazu wird die Abweichung der Steigung an bestimmten Punkten von der aktuell gültigen Kapazitäts-/OCV-Kennlinie bestimmt. Anhand des Ladungshubes zwischen diesen Punkten wird die erwartete Steigung (in V/As) bestimmt. Weicht die gemessene Steigung ab, liegt eine Änderung in der Kapazitäts- oder der OCV-Kennlinie vor. Dies ist schematisch in 4 veranschaulicht. Die gemessenen Punkte P1 und P2 liegen nicht auf der als bisherige Referenz herangezogenen Kapazitätskennlinie. Zwischen diesen beiden Punkten wird die Steigung ermittelt.
5 stellt ein SOC1-OCV-Diagramm dar. Dabei entspricht V/SOC1 dem Spannungshub für 100% Kapazität. In dem Diagramm der 5 sind zwei SOC1-OCV-Kennlinien dargestellt. Diese Kennlinien entsprechen der Steigung der gemessenen OCV-Kennlinie. Die mit den Quadraten gekennzeichnete Steigungskennlinie entspricht der zuletzt ermittelten Steigung, während die mit den Rauten gekennzeichnete Kennlinie die neu gemessene Kennlinie darstellt. Wie aus 5 ersichtlich ist, verändert sich bei der OCV-Kennlinie die Steigung in den meisten Bereichen der nutzbaren Kapazität. Es gilt somit:
Dies ist in dem Bereich zwischen 123 V und 134 V deutlich sichtbar.
Es gibt aber auch Bereiche, in denen die OCV-Kennliniensteigung unveränderlich ist. Dort gilt:
Diese Bereiche erstrecken sich in den vorliegenden Beispielen zwischen 118 V und 122 V sowie zwischen 134 V und 136 V. Eine Steigungsänderung in diesen Bereichen beruht ausschließlich auf einer Kapazitätsänderung. Steigungsänderungen müssen somit immer in aussagekräftigen Bereichen gemessen werden.
6 zeigt die Steigung der OCV-Kennlinien der 5, ergänzt um die Steigungsdifferenz der beiden Steigungen. Die Steigungsänderung von neu zu alt der OCV-Kennlinie ist in allen Bereichen unterschiedlich:
In einem Bereich ist eine Zunahme der Steigung eine Alterung der OCV-Kennlinie. Dies ist vorliegend in dem Bereich zwischen 122 V und 128 V der Fall. In dem Bereich 128 V bis 134 V findet eine Abnahme der Steigung statt. Auch dies ist eine Alterung der OCV.
7 zeigt die Steigungsdifferenz der 6 und ist ergänzt um ein auf Null normiertes Steigungsintegral. Generell ist eine Messung der Steigung nur mit Minimalabstand der Messpunkte sinnvoll und hängt somit stark von der Genauigkeit der OCV-Messung ab. Messungen mit einem größeren Abstand zwischen den Messpunkten überstreichen einen Bereich der Kennlinie, in dem sich die Steigungsänderung erheblich verändern kann. Aus diesem Grunde kann bei der vorliegenden Erfindung eine sogenannte Flächenfunktion eingesetzt werden. Mit Hilfe dieser Flächenfunktion der Steigungsänderung kann mit einem nahezu beliebigem Abstand der Messpunkte die Steigung der OCV-Kennlinie oder der Kapazität zugeordnet werden. Die Flächenfunktion berechnet sich wie folgt:
Über die Flächenfunktion F_fl (OCV) der Steigungsänderung kann mit nahezu beliebigem Abstand der Messpunkte die Steigung der OCV-Kennlinie oder der Kapazität zugeordnet werden. Die Flächenfunktion ist dabei die von einem Nulldurchgang der Steigungsdifferenz auf integrierte Steigungsänderungskurve. Dabei lassen sich die folgenden zwei Fälle unterscheiden: Wenn F_U(P1) + F_U(P2) = 0 dann hat in dem betrachteten Bereich eine Kapazitätsänderung stattgefunden.
Wenn hingegen F_U(P1)·F_U(P2) > 0 gilt, dann hat sich die OCV-Kennlinie geändert. In allen anderen Fällen lässt sich aus dieser Betrachtung keine Aussage ableiten. Die beiden unterschiedenen Fälle werden nun im Folgenden detaillierter betrachtet.
8 zeigt in dem betrachteten Bereich von Punkt 1 zu Punkt 2 eine Kapazitätsänderung. Es gilt: F_U(P1) + F_U(P2) = 0
In diesem Bereich ist somit die OCV-Kennliniensteigung unveränderlich. Weicht die gemessene Steigung ab, liegt eine Änderung der Kapazität vor.
9 veranschaulicht das Beispiel einer OCV-Änderung.
Es gilt F_U(P1)·F_U(P2) > 0
Es gibt Bereiche, in denen die Änderung der OCV-Kennliniensteigung maximal ist. Weicht die gemessene Steigung ab, liegt eine Änderung der OCV-Kennlinie vor.
Zusammenfassend lässt sich der erfindungsgemäße Algorithmus wie folgt grob beschreiben:
Es wird die OCV-Kennlinie im Neuzustand der Batterie bestimmt (OCV neu).
Es wird die OCV-Kennlinie der gealterten Batterie bestimmt (OCV_alt).
Es wird die Steigung der OCV-Kennlinien im neuen und im gealterten Zustand bestimmt:
Es wird die Steigungsdifferenz zwischen den beiden bestimmten Steigungskennlinien berechnet:
Es wird die Bewertungsfunktion berechnet:
Es wird der stattgefundene Alterungseffekt mittels zweier Messpunkte abgeleitet. Dabei gilt bei einer Kapazitätsänderung: F_U(P1) + F_U(P2) = 0 und bei einer OCV-Alterung: F_U(P1)·F_U(P2) > 0
In anderen Fällen lässt sich keine Aussage treffen.
Es werden die Ist- und die Soll-Stärken abgeglichen.
Die Kapazitäts-/OCV-Kennlinie wird nachgeführt.
Bei der Auslegung beziehungsweise Auswertung der F(OCV)-Kurve gelten folgende Prämissen: Die OCV-Kurve altert nicht linear und die genaue Kapazitätsbestimmung bei gealterter Batterie hat Priorität.
Grundsätzlich ist zu beachten, dass das vorgeschlagene erfindungsgemäße Verfahren stets mit Einzelzellspannungen arbeitet und als OCV-Referenz die vollständig gealterte Kennlinie dient.
Es wird nun die Erfindung unter erneuter Bezugnahme auf 4 beschrieben. Für die Berechnung des Ladungshubs beziehungsweise des Flächenintegrals werden immer zwei „sinnvolle” hohe Spannungen P1 und P2 betrachtet. Zwischen diesen beiden hohen Spannungen P1 und P2 wird der Ladungshub in Amperesekunden bestimmt. Danach wird die Steigung V/As zwischen P1 und P2 bestimmt. Die Abweichung der Steigung von der aktuell gültigen Kapazitäts-/OCV-Kennlinie wird bestimmt. Anhand eines Steigungsänderungsflächenintegrals wird der Einfluss auf die OCV- oder die Kapazitätsalterung bestimmt. Gütekriterien legen den tatsächlichen Einfluss auf die OCV-Alterung fest. Es wird die Güte des aktuellen OCV- und des Kapazitätszustands ermittelt.
Hinsichtlich der Auswahl von Messpunkten ist folgendes zu beachten: Es werden mehrere Punkte in einem Array gesammelt. Als Bedingungen für die Auswahl von Messpunkten ist zu beachten, dass die Spannung der geschätzten OCV-Spannung entspricht. Der Maximalstrom in der Vergangenheit lag unter einem Schwellwert. Ebenso muss ein tiefpassgefilterter Stromwert mit zwei verschiedenen Zeitkonstanten (beispielsweise 5 Sekunden und 60 Sekunden) unter einem Schwellwert liegen. Als Kenndaten der Messpunkte können beispielsweise herangezogen werden die geschätzte OCV-Spannung, die OCV-Güte, der Ladeintegralwert, der Ladungsdurchsatz seit Messung und die Zeit seit Messung.
Die gesammelten Messpunkte werden zyklisch analysiert. Dabei wird darauf geachtet, ob bei einem Punktepaar der SOC-Abstand genügend groß ist, die Summe der Flächenintegralwerte annähernd Null ergibt, das gleiche Vorzeichen und einen hohen Betrag hat und nicht veraltet sind. Zur Berechnung des Punktepaares wird die OCV-Steigung berechnet. Die Berechnung der OCV-Steigung ergibt sich aus der aktuell hinterlegten Kapazität und der OCV-Alterung. Bei einer deutlichen Abweichung und einem ausreichenden Vertrauen in das Paar in Kombination mit einer nicht ausreichenden Güte der hinterlegten Kapazität/OCV kann die Kapazität und/oder die OCV-Kennlinie nachgelernt werden. Bei keiner Abweichung wird die Güte für aktuelle Werte erhöht.
Bei der Verwaltung von Messpunkten wird der Punkt überschrieben, der von der Auswertung verwendet wurde, dessen Qualität unbrauchbar ist oder dessen SOC „uninteressant” ist. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn er nahe am AP liegt oder bereits viele ähnliche Punkte vorhanden sind. Es kann auch der Fall sein, dass kein Punkt überschrieben wird.
Die Messpunkte müssen folgende Bedingungen erfüllen:
l_filt 5 sec < xA,
l_filt 20 sec < xA,
l < 0,3 A für 5 Sekunden und
Batt_temp > 20°C.
Dabei wird der erste Punkt bestimmt und gespeichert, bevor die Schütze eingeschaltet werden.
Hinsichtlich des Abgleichs des Stromsensors haben Offset-Fehler im Strom einen großen Einfluss auf die Messgenauigkeit. Der Offset wird berechnet und berücksichtigt. Das Stromintegral wird nie rekalibriert. Tritt während der Fahrt bei gleicher OCV eine Abweichung des Stromintegrals auf, wird der Bewertungsfaktor des Stroms neu berechnet.
Als Sicherheitsmaßnahme wird die minimale/maximale Kapazität begrenzt. Die OCV-Alterung wird BLK-gestützt/begrenzt.
Zusammenfassend wird ein Verfahren zur Bestimmung einer momentan vorliegenden Kapazität beansprucht, bei welchem die momentan vorliegende OCV-Kennlinie der Batterie ermittelt wird, wobei aus der OCV-Kennlinie nur Messpunkte verwendet werden, auf die die Alterung der Batterie keinen Einfluss hat.
(Ermittlung der alterungsunabhängigen Meßpunkte)

1) Betrachtet werden beliebige OCV-Kennlinien der vorliegenden und/oder einer gleichartigen Batterie, wobei mindestens eine OCV-Kennlinie diejenige einer neuen Batterie und eine andere OCV-Kennlinie diejenige einer gealterten Batterie entspricht;
2) Aufnahme vorgegebener Messwerte der vorliegenden Batterie zur Bestimmung der Kapazität dieser Batterie mit einem der bekannten Verfahren, insbesondere mit einem Verfahren gemäß der DE 10 2007 043 738 A1 ;
3) Ermittlung des Verlauf der Steigung der OCV-Kennlinien der neuen und der vorliegenden Batterie;
4) Bildung der Differenzkurve zwischen dem Verlauf der OCV-Steigungskurve der neuen und der vorliegenden Batterie (die Kurve stellt die Differenz zwischen den Steigungen der beiden OCV-Kurven dar);
5) Ermittlung des Nulldurchganges im mittleren Bereich des Verlaufs der Kurven;
6) Auswahl eines beliebigen Arbeitspunktes auf der Differenzkurve und Bestimmung des zugehörigen Arbeitspunktes derart, – dass der zugehörige Arbeitspunkt gegenüber dem beliebigen Arbeitspunkt auf der anderen Seite des Nulldurchgangs liegt und – dass das Integral des zughörigen Arbeitspunktes zum Nulldurchgang innerhalb vorgebbarer Toleranzen dem Integral des beliebigen Arbeitspunktes zum Nulldurchgang entspricht;
7) Verwendung der den beiden Arbeitspunkten zugehörigen Spannungen als alterungsunabhängige Messpunkte zur Kapazitätsbestimmung.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007043738 A1 [0062]

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands einer Batterie, insbesondere einer automotiven Batterie, mit den Schritten: Erfassen zumindest eines Teils einer OCV-Kennlinie der Batterie in einem aktuellen Zustand; Ermitteln zumindest eines alterungsunabhängigen Punktes der OCV-Kennlinie durch Bilden einer Differenzfunktion zwischen einer vorab gespeicherten OCV-Kennlinie und der OCV-Kennlinie der Batterie im aktuellen Zustand und Ermitteln einer Nullstelle der Differenzfunktion; Wählen eines beliebigen ersten Arbeitspunktes der Differenzfunktion; Wählen eines zugehörigen beliebigen zweiten Arbeitspunktes derart, dass der zweite Arbeitspunkt auf der anderen Seite der Nullstelle liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Integral von dem zweiten Arbeitspunkt bis zu der Nullstelle innerhalb vorgebbarer Toleranzen dem Integral von dem ersten Arbeitspunkt bis zu der Nullstelle entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die dem ersten und dem zweiten Arbeitspunkt zugehörigen Spannungen als alterungsunabhängige Messpunkte zur Kapazitätsbestimmung dienen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die vorab gespeicherte OCV-Kennlinie eine im Neuzustand der Batterie aufgenommene OCV-Kennlinie ist.
Batterieeinrichtung, insbesondere einer Batterie für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug mit einer Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zu realisieren.