DE102011013967A1

DE102011013967A1 - Verfahren zum Bestimmen eines maximalen Stroms aus einer Batterie

Info

Publication number: DE102011013967A1
Application number: DE102011013967A
Authority: DE
Inventors: Dr. Ing. Bernreuter Peter
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-03-15
Filing date: 2011-03-15
Publication date: 2012-01-05

Abstract

Die Lebensdauer von Batterien mit mehreren Zellen soll vergrößert werden. Hierzu wird ein Verfahren zum Bestimmen eines maximalen Stroms aus einer Batterie, die die mehreren Zellen aufweist, bereitgestellt, um das Verlassen eines Spannungsarbeitsbereichs jeder Zelle zu verhindern. Für jede der Einzelzellen wird eine Kapazität berechnet und anschließend wird eine momentane OCV-Spannung für jede der Einzelzellen aus einem vorab ermittelten SOC-Wert zu einem vorgegebenen Zeitpunkt sowie eine SOC-Wertänderung, die den Quotienten eines Stromintegrals ab dem Zeitpunkt und der berechneten Kapazität darstellt, berechnet. Schließlich wird der maximale Strom aus einem vorgegebenen Spannungsgrenzwert, der berechneten OCV-Spannung und dem Innenwiderstand der jeweiligen Einzelzelle bestimmt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines maximalen Stroms aus einer Batterie, die mehrere Einzelzellen aufweist. insbesondere soll damit der maximale Strom aus einer Batterie eines Kraftfahrzeugs bestimmt werden können.
Bei einer Hochvolt-Batterie (Spannung typischerweise über 100 V) in einem Fahrzeug darf der Betriebsbereich der Einzelzellen nicht verlassen werden. Dieser Betriebsbereich beziehungsweise Arbeitsbereich liegt üblicherweise zwischen 3 V bis 4,1 V. Batterien im Hochvoltbereich werden in einem Fahrzeug typischerweise durch Reihenschaltung von Einzelzellen realisiert (Strang). Dabei können mehrere Stränge zusätzlich parallel geschaltet werden. Wird der Betriebsbereich während der Beanspruchung im Fahrzeug nicht eingehalten, kann die Batterie beschädigt werden, was soweit führen kann, dass die Batterie keine Energie mehr speichern kann oder dass intern ein Kurzschluss verursacht wird. Diese Schädigung kann bei jeder Einzelzelle auftreten, ohne dass die Batterie bezüglich ihrer an den Polen gemessenen Ströme und Spannungen auffällig wäre. Verletzungen des erlaubten Spannungsbereichs von Einzelzellen können, wenn sie auftreten, zwar durch Einzelzellenmessungen erkannt werden. Allerdings ist es Ziel, diese Verletzungen vorherzusehen, um so abrupte Stromabriegelungen zu verhindern, die den Fahrbetrieb empfindlich stören können.
Nach bislang bekannten Techniken werden zur Voraussage der erlaubten Strombelastung Stromgrenzen nicht überschritten, von denen bekannt ist, dass sie die Batterie nicht schädigen. Jedoch wird dabei nicht die volle Leistungsfähigkeit der Batterie genützt. Ebenso werden Alterungseffekte nicht berücksichtigt.
Es werden Kapazitätswerte für die Einzelzellen angenommen und ein Innenwiderstand über die Temperatur aus Kennfeldern bestimmt. Dieser Ansatz berücksichtigt jedoch nicht, dass jede Zelle hinsichtlich Kapazität und Innenwiderstand unterschiedlich altert.
Außerdem ist dabei eine Einzelzellauswertung erforderlich, die bei Batterien mit großer Zellenzahl zu einem hohen Rechenaufwand führt. Durch diesen Ansatz kann jedoch nicht sicher vorhergesehen werden (bei optimaler Ausnutzung der Batterie), ob die Stromgrenzen der Einzelzellen durch die Kombination ihrer Abweichung hinsichtlich Kapazität, Innenwiderstand und der offenen Zellspannung (OCV) verletzt werden. Dies kann in einem Fahrzeug, das durch eine E-Maschine zumindestens unterstützend angetrieben wird, zu Momentenschwingungen und Momentensprüngen aufgrund von Abriegelungen bei Zellspannungsverletzungen führen und Schädigungen der Zellen hervorrufen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, zuverlässiger einen Maximalstrom einer Batterie ermitteln zu können, bei dem ein Spannungsarbeitsbereich von Einzelzellen einer Batterie nicht verlassen wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Es wird somit bereitgestellt ein Verfahren zum Bestimmen eines maximalen Stroms aus einer Batterie, die mehrere Einzelzellen aufweist, durch

– Berechnen einer Kapazität für jede der Einzelzellen,
– Berechnen einer momentanen OCV-Spannung für jede der Einzelzellen aus einem vorab ermittelten State of Charge-Wert (SOC-Wert) zu einem vorgegebenen Zeitpunkt und einer SOC-Wertänderung, die den Quotienten eines Stromintegrals ab dem Zeitpunkt und der berechneten Kapazität darstellt, und
– Bestimmen des maximalen Stroms aus einem vorgegebenen Spannungsgrenzwert, der berechneten OCV-Spannung und dem Innenwiderstand der jeweiligen Einzelzelle.

In vorteilhafter Weise ist es somit möglich, bezüglich jeder Einzelzelle den Maximalstrom zu berechnen und aus der Batterie dann eben nur denjenigen Strom zu entnehmen, der für jede Einzelzelle kein Verlassen des jeweiligen Spannungsarbeitsbereichs bedeutet.
Vorzugsweise wird zum Berechnen der Kapazität jeder Einzelzelle eine erste Ruhespannungsphase verwendet. Weiterhin wird dann ein Batteriestrom von der ersten Ruhespannungsphase bis zu einer zweiten Ruhespannungsphase aufintegriert.
Schließlich wird zum Berechnen der Kapazität jeder Einzelzelle das Stromintegral durch eine ermittelte Differenz von SOC-Werten ermittelt.
Der vorgegebene Spannungsgrenzwert kann ein Maximalwert sein und der bestimmte Strom ein Maximalstrom. Alternativ kann der vorgegebene Spannungsgrenzwert einen Minimalwert und der bestimmte Strom ein Minimalstrom sein. Vorzugsweise wird aus den berechneten OCV-Spannungen und den Innenwiderständen aller Einzelzellen der Batterie für einen vorgegebenen Strom eine Gesamtspannung der Batterie vorhergesagt.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
1 ein Batterieersatzschaltbild einer typischen Fahrzeugbatterie mit mehreren Einzelzellen und
2 ein Diagramm einer offenen Zellspannung (OCV = Open Cell Voltage) über dem Ladezustand (SOC = State Of Charge).
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
Das Ziel besteht, wie beschrieben, darin, beispielsweise eine HV-Batterie innerhalb eines definierten Arbeitsbereichs zu betreiben. Insbesondere sollen dabei Grenzverletzungen bezüglich der Spannungsgrenzwerte im Fahrzeug bei unterschiedlichen Temperaturen und dynamischen Stromanforderungen für jede Einzelzelle verhindert werden. Hierzu werden im Wesentlichen folgende drei Schritte durchgeführt:

1. Berechnung der Kapazität „C” für jede einzelne Zelle
2. Ermittlung der momentanen offenen Zellspannung (OCV) für jede Einzelzelle im Betrieb aus dem letzten Ladezustandswert (SOC), nachdem sich eine Ruhespannung eingestellt hat, und aus zusätzlichen SOC-Veränderungen durch Berechnung des Quotienten aus dem Stromintegral (seit letzter Ruhespannung) und der berechneten Kapazität.
3. Bestimmung des maximal erlaubten Stroms, bei dem keine Über- und Unterschreitung des erlaubten Spannungsbereichs auftritt, aus der Kapazität, der offenen Zellspannung und dem momentanen Innenwiderstand jeder Einzelzelle. Damit ist eine präzise Vorhersage der sich einstellenden Batteriespannung bei Belastung möglich.

Zum besseren Verständnis der Erfindung ist in 1 ein Batterieersatzschaltbild einer typischen Hochvolt-Batterie mit mehreren Einzelzellen „n” dargestellt. Demnach besteht der Batteriestrang aus mehreren in Serie geschalteten Einzelzellen. Jede Einzelzelle ihrerseits besteht aus einem elektrischen Widerstand Rn, der spezifisch für die jeweilige Einzelzelle „n” ist. In Serie zu diesem Widerstand Rn befindet sich eine Spannungsquelle, die die Spannung OCVn liefert. Diese Spannung OCVn ist eine Funktion des Ladezustands (f(SOC)). Der Batterieinnenwiderstand Rn entspricht dem Quotienten einer Spannungsdifferenz dU und einer Stromdifferenz dl.
Nachfolgend werden die einzelnen Schritte zur Bestimmung des maximal erlaubten Stroms detailliert dargestellt:
Bei dem ersten Schritt zur Berechnung der Kapazität „C” für jede einzelne Zelle „n” erfolgt ein Rückschließen auf die aktuelle Kapazität „C” aus mindestens zwei Messpunkten einer in 2 beispielhaft dargestellten SOC-Kennlinie über der OCV und dem Stromintegral über I(t) zwischen den Messpunkten. Hierzu wird im vorliegenden Beispiel zunächst eine erste Ruhespannungsphase OCV zum Zeitpunkt t1 erkannt. Anschließend wird der Batteriestrom bis zu einer zweiten OCV-Ruhespannungsphase zum Zeitpunkt t2 integriert. Schließlich wird die Kapazität „C” durch Teilen des Stromintegrals durch die SOC-Differenz dSOC gemäß folgender Formel berechnet:
In dem zweiten Schritt wird die momentane offene Zellspannung (OCV) für jede Einzelzelle „n” ermittelt. Dies erfolgt gemäß folgender Formel:
Die OCV_berechnet,n Spannung wird als Funktion über dem Ladezustand SOC ermittelt, der seinerseits im Zusammenhang mit dem zuvor genannten ersten Schritt ermittelt werden kann. Diese Funktion kann im Betrieb für die Einzelzelle aufgrund der Einzelzellkapazität und dem in der Zelle aufsummierten Stromintegral ermittelt werden. Falls längere Zeit kein Strom fließt, kann die Ruhespannung der Zelle direkt als OCV_berechnet,n Spannung verwendet werden.
In dem abschließenden 3. Schritt wird der maximal erlaubte Strom, bei dem keine Über- und Unterschreitung des erlaubten Spannungsbereichs auftritt, bestimmt. Dies erfolgt gemäß der Formel: I_{max,min n} = (U_max,min – OCV_n)/R_n
Die Spannungswerte U_max,min stellen die Spannungsgrenzen der Einzelzelle dar. Der Widerstandswert R_n entspricht dem im Betrieb errechneten Innenwiderstand der jeweiligen Einzelzelle. Hieraus kann dann der erlaubte Strom I_{max,min n} prognostiziert werden. Das heißt bei einer Serienschaltung der Zellen stellt für I_{max Batt} der kleinste Strom I_{max n} und für I_{min Batt} der größte ermittelte Strom I_{min n} der Einzelzellen das Limit für die Gesamtbatterie dar.
Zusätzlich kann die Gesamtspannung der Batterie (bei einem Zellstrang) bei einer vorgegebenen Strombelastung I als Spannung U_pred prognostiziert werden. Für diese Spannung gilt nämlich:
Hierbei ist U_pol die Polarisationsspannung, die temperatur- und stromabhängig ist, wobei bei hohen Temperaturen batterietypabhängig dieser Wert abnimmt. Aus den berechneten zulässigen Strömen I_{max,min Batt} kann also aus den berechneten OCV-Einzelzell-Spannungen und den einzelnen berechneten Innenwiderständen der Zellen die zugehörige Batterie-Spannung prognostiziert werden. Damit kann die Regelung der übrigen Fahrzeugkomponenten optimiert werden, um für den Fahrzeugbetrieb unerwünschte Momentenstöße oder Schwingungen zu verhindern. Ansonsten können abrupte Abregelungen aufgrund unpräziser Vorausschau der verfügbaren Strom-Spannungsgrenzen auftreten.
Durch die vorliegende Erfindung ist somit eine bessere Nutzung der Batterie möglich. Insbesondere ist keine Überdimensionierung nötig, Schädigungen der Batterie durch Überbeanspruchung werden vermieden, Momentensprünge im Fahrzeug werden vermieden, die durch Zellspannungsverletzungen hervorgerufen werden, weil die Belastungsgrenzen der Batterie nicht richtig vorhergesagt werden, z. B. aufgrund von Alterungseffekten, die in jeder Zelle der Batterie unterschiedlich sein können.
In vorteilhafter Weise wird durch die exakte Vorhersage der Batteriegrenzen vermieden, dass die Zellen der Batterie während der Lebenszeit zusätzlich geschädigt werden und die Lebensdauer beschleunigt verkürzt wird. Durch die exakte Vorhersage wird außerdem bewirkt, dass ein sicherer Betrieb der Zellen unterstützt wird und Momentensprünge, wie bereits dargestellt wurde, vermieden werden.
Bezugszeichenliste

Rn

Widerstand

OCV

Offene Zellspannung

SOC

Ladezustand

t1, t2

Zeitpunkte

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines maximalen Stroms aus einer Batterie, die mehrere Einzelzellen aufweist, gekennzeichnet durch – Berechnen einer Kapazität für jede der Einzelzellen, – Berechnen einer momentanen OCV-Spannung für jede der Einzelzellen aus einem vorab ermittelten SOC-Wert zu einem vorgegebenen Zeitpunkt und einer SOC-Wertänderung, die den Quotienten eines Stromintegrals ab dem Zeitpunkt und der berechneten Kapazität darstellt, und – Bestimmen des maximalen Stroms aus einem vorgegebenen Spannungsgrenzwert, der berechneten OCV-Spannung und dem Innenwiderstand der jeweiligen Einzelzelle.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Berechnen der Kapazität jeder Einzelzelle eine erste Ruhespannungsphase verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Berechnen der Kapazität jeder Einzelzelle ein Batteriestrom von der ersten Ruhespannungsphase bis zu einer zweiten Ruhespannungsphase aufintegriert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Berechnen der Kapazität jeder Einzelzelle das Stromintegral durch eine ermittelte Differenz von SOC-Werten ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Spannungsgrenzwert ein Maximalwert ist und der bestimmte Strom ein Maximalstrom ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Spannungsgrenzwert ein Minimalwert ist, und der bestimmte Strom ein Minimalstrom ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den berechneten OCV-Spannungen und den Innenwiderständen aller Einzelzellen der Batterie für einen vorgegebenen Strom eine Gesamtspannung der Batterie vorhergesagt wird.