DE102013017061A1

DE102013017061A1 - Bestimmung der Degradierung eines Akkumulators in einem Hybridfahrzeug

Info

Publication number: DE102013017061A1
Application number: DE201310017061
Authority: DE
Inventors: Peter Antony; Muhammet Ariöz; Christof Nitsche
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2013-10-15
Filing date: 2013-10-15
Publication date: 2014-07-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Ist-Verschleißzustandes (DEG) eines elektrischen Akkumulators (10) eines Kraftfahrzeugs (12), wobei ein numerisches Referenzmodell (16) bereitgestellt wird, welches einen funktionalen Zusammenhang zwischen zumindest einer einen Betriebszustand des Akkumulators (10) charakterisierenden Betriebsgröße (I) des Akkumulators (10) und zumindest einer davon abhängigen elektrischen Ausgabegröße (U) des Akkumulators (10) beschreibt. Zu zumindest einem Messzeitpunkt während eines Fahrbetriebes des Kraftfahrzeugs (12) wird ein aktueller Betriebswert (Ii) zu jeder Betriebsgröße (I) und ein aktueller Istwert (Ui) zu jeder Ausgabegröße (U) ermittelt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Degradierung des Akkumulators (10) im Fahrbetrieb zu bestimmen. Auf der Grundlage jedes aktuellen Betriebswerts (Ii) wird mittels des Referenzmodells (16) zu jeder Ausgabegröße (U) ein Referenzwert (Ur) erzeugt, wie ihn der Akkumulator (10) in einem vorbestimmten Referenz-Verschleißzustand erzeugen würde. Der Ist-Verschleißzustand (DEG) wird in Abhängigkeit von dem Istwert (Ui) jeder Ausgabegröße (U) und dem Referenzwert (Ur) jeder Ausgabegröße (U) ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft das Ermitteln eines Verschleißzustandes eines elektrischen Akkumulators in einem Kraftfahrzeug während des Fahrbetriebs. Der Akkumulator ist insbesondere eine Traktionsbatterie. Der Verschleißzustand wird erfindungsgemäß mittels eines numerischen Modells geschätzt. Das Modell setzt betriebszustandscharakterisierende Größen des Akkumulators, wie Temperatur, Ladezustand sowie aktuelle und vergangene Batterieströme, mit zumindest einer vom Batteriezustand abhängigen elektrischen Ausgabegröße des Akkumulators, also z. B. der Ausgangsspannung, in einen funktionalen Zusammenhang.
Der Einsatz von Akkumulatoren als Traktionsbatterien in Hybridfahrzeugen oder rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen erfordert eine genaue Kenntnis des Verschleiß- oder Degradationszustandes des Akkumulators, um dessen Leistungsfähigkeit und Lebensdauer zu prognostizieren und die Leistungsanforderungen anzupassen. Die Erfindung ermöglicht demnach eine an den Verschleißzustand angepasste Betriebsstrategie und damit eine optimale Nutzung des Akkumulators über den gesamten Nutzungszeitraum. Zusätzlich können Akkumulatoren, die gewisse Anforderungsgrenzen unterschreiten, rechtzeitig erkannt und ausgetauscht werden. Damit können „Liegenbleiber” aufgrund starker Einzelzelldegradierung verhindert werden.
Aufgrund der dynamischen Verhältnisse, d. h. der oft und schnell wechselndes Betriebszustände des Akkumulators durch den Boost- und den Rekuperationsbetrieb insbesondere in einem Hybridfahrzeug, ist die Bestimmung der Degradationszustände aber schwierig. Die Informationen werden aktuell über einzelne Befundungsdiagnosen in Werkstätten gewonnen. Bei großen Fahrzeugstückzahlen ist dies aber unwirtschaftlich.
Aus der DE 10 2009 023 564 A1 ist ein Verfahren zum Überwachen eines Ladezustands eines Akkumulators mittels eines numerischen Modells bekannt. Danach wird aus den ermittelten Betriebswerten und den ermittelten Ausgabewerten zunächst ein numerisches Modell in Form einer Kennlinie berechnet und anschließend von der Kennlinie auf einen Ladezustand des Akkumulators rückgeschlossen. Der aktuelle Verschleißzustand des Akkumulators kann aus dieser Kennlinie aber nicht abgelesen werden.
Aus der DE 10 2007 052 240 A1 ist eine Diagnose eines Brennstoffzellenstapels bekannt, die darauf beruht, mittels eines funktionalen Referenzmodells einen Referenzwert zu erzeugen, der angibt, welche Ausgangsspannung der Brennstoffzellenstapel im Neuzustand ausgeben müsste. Ein Vergleich der aktuellen Ausgangsspannung mit dem Referenzwert liefert eine Schätzung der Abnutzung des Brennstoffzellenstapels. Mit dem funktionalen Referenzmodell für den Brennstoffzellenstapel kann nicht der Verschleißzustand eines elektrischen Akkumulators ermittelt werden, insbesondere nicht seine für den Verschleißzustand charakteristische elektrische Speicherkapazität.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Degradierung eines Akkumulators eines Kraftfahrzeugs im Fahrbetrieb zu bestimmen.
Die Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein Kraftfahrzeug gemäß Patentanspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zum Ermitteln eines Ist-Verschleißzustandes eines elektrischen Akkumulators eines Kraftfahrzeugs das eingangs beschriebene Modell als ein numerisches Referenzmodell bereitgestellt, welches also den funktionalen Zusammenhang zwischen zumindest einer einen Betriebszustand des Akkumulators charakterisierenden Betriebsgröße und zumindest einer von dem Betriebszustand abhängigen elektrischen Ausgabegröße des Akkumulators beschreibt. Durch das Referenzmodell wird insbesondere als Ausgangsgröße oder Ausgabegröße die Spannungsantwort des Akkumulators in Abhängigkeit von einer der folgenden Betriebsgrößen modelliert: Temperatur, Ladezustand, aktuelle und vergangene Betriebsströme. Anders als im Stand der Technik, der das wiederholte Ermitteln einer Kennlinie vorsieht, also das Adaptieren eines Modells, handelt es sich bei dem erfindungsgemäß genutzten Referenzmodell um ein nicht-adaptives Modell. Das Referenzmodell erzeugt nämlich zu einem gegebenen Betriebswert jeder Betriebsgröße, also z. B. zum aktuellen Stromwert des Betriebsstroms, für jede Ausgangsgröße, also z. B. der Ausgangsspannung, einen Ausgangswert, wie er sich ergeben würde, wenn sich der Akkumulator in einem fest vorgegebenen, konstanten Verschleißzustand befinden würde, der hier als Referenz-Verschleißzustand bezeichnet ist. Der Referenz-Verschleißzustand ist insbesondere der Neuzustand des Akkumulators.
Auf der Grundlage des aktuellen Betriebswerts oder Ist-Betriebswerts jeder im Referenzmodell berücksichtigten Betriebsgröße wird mittels des Referenzmodells für jede Ausgabegröße ein Referenzwert erzeugt wird, wie ihn der Akkumulator in dem vorbestimmten Referenz-Verschleißzustand erzeugen würde. In Abhängigkeit von einem tatsächlichen, aktuellen Istwert jeder Ausgabegröße und dem zugehörigen Referenzwert jeder Ausgabegröße und in Abhängigkeit von dem Referenz-Verschleißzustand wird dann der aktuelle Ist-Verschleißzustand ermittelt.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass der aktuelle Ist-Verschleißzustand des Akkumulators zu jedem Zeitpunkt ermittelt werden kann, wodurch insbesondere aufwändige Befundungsdiagnosen in Werkstätten entfallen können.
In einer einfach zu realisierenden Ausführungsform der Erfindung wird für zumindest einen Messzeitpunkt ein Ausgangswert der Akkumulatorspannung, d. h. die Ausgangsspannung des Akkumulators, und als Referenzwert eine entsprechende Referenzspannung ermittelt. Der Ist-Verschleißzustand wird dann als Funktion einer aus der Referenzspannung und der gemessenen Ausgangsspannung berechneten Differenzspannung ermittelt. Dann kann z. B. die Veränderung des elektrischen Innenwiderstands des Akkumulators ermittelt werden, der wiederum charakteristisch für den Ist-Verschleißzustand ist. Die Abhängigkeit der Ausgangspannung vom elektrischen Innenwiderstand eines Akkumulators ist an sich bekannt.
Die Messung oder Ermittlung aktueller Betriebs- und Ausgabewerte kann zu mehreren Messzeitpunkten wiederholt durchgeführt werden, um eine robustere Schätzung des Ist-Verschleißzustands zu erhalten. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden hierzu zu mehreren unterschiedlichen Messzeitpunkten jeweils der aktuelle Betriebswert jeder Betriebsgröße und der aktuelle Istwert jeder Ausgabegröße zu einem aktuellen Betriebspunkt zusammengefasst. Z. B. wird also ein Betriebspunkt aus Betriebstrom I und Ausgangsspannung U gebildet, nämlich der Betriebspunkt mit den zweidimensionalen Koordinaten I und U. Alle Betriebspunkte wiederum werden zu einem Kennfeld kombiniert, dessen Breite dann eine Speicherkapazität des Akkumulators und/oder dessen Steigung seiner Längsachse einen Innenwiderstand des Akkumulators angibt. Entsprechend können beispielsweise mittels einer Regressionsanalyse die Steigung und damit der Innenwiderstand bestimmt werden.
Genauso wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ein korrespondierendes Referenzkennfeld aus den Betriebswerten und den Referenzwerten aller Messzeitpunkte gebildet, d. h. es werden die Betriebspunkte hier auf der Grundlage der Referenzwerte anstelle der gemessenen, aktuellen Ausgabewerte gebildet. Aus dem Referenzkennfeld wird dann eine Referenz-Speicherkapazität und/oder ein Referenz-Innenwiderstand ermittelt. Diese Referenzkenngrößen können dann jeweils direkt mit denen aus dem zuvor beschriebenen Kennfeld verglichen und hieraus der aktuelle Ist-Verschleißzustand ermittelt werden, nämlich insbesondere die Veränderung der Speicherkapazität und/oder des Innenwiderstandes.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird in Abhängigkeit von dem ermittelten Ist-Verschleißzustand eine das Einstellen der Betriebsgrößen bestimmende Betriebsstrategie für einen zukünftigen Betrieb des Akkumulators festgelegt. So können z. B. die Temperierung und/oder der Betriebsstrom und/oder Nachladezeitpunkte in Abhängigkeit von dem Ist-Verschleißzustand geregelt werden.
Die Umsetzung der Erfindung kann in einem Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, vorzugsweise in einem Batteriesteuergerät der Hochvolt-Traktionsbatterie, erfolgen. Das Steuergerät weist ein numerisches Referenzmodell auf, welches einen funktionalen Zusammenhang zwischen zumindest einer einen Betriebszustand des Akkumulators charakterisierenden Betriebsgröße des Akkumulators und zumindest einer davon abhängigen elektrischen Ausgabegröße des Akkumulators beschreibt, wie sie der Akkumulator in einem vorgegebenen Referenz-Verschleißzustand erzeugen würde. Das Kraftfahrzeug ist dazu ausgelegt, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgestaltet. Der Akkumulator ist bevorzugt eine Hochvoltbatterie, die insbesondere als Traktionsbatterie ausgestaltet ist. Bei dem Akkumulator handelt es sich insbesondere um einen Li-Ionen-Akkumulator. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kann insbesondere einen Hybridantrieb oder einen rein elektrischen Antrieb aufweisen.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Dabei zeigt die einzige Fig. ein Ablaufdiagramm zu einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das Ausführungsbeispiel stellt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar.
Die Fig. veranschaulicht vier Schritte S1, S2, S3, S4 eines Verfahrens zum Ermitteln eines Verschleißzustandes eines elektrischen Akkumulators 10 eines Kraftfahrzeugs 12. Der Akkumulator kann z. B. eine ganze Traktionsbatterie oder aber auch eine einzelne galvanische Zelle oder ein Teilverbund von galvanischen Zellen innerhalb einer Traktionsbatterie sein. Bevorzugt ist der Akkumulator ein Li-Ionen-Akkumulator, der insbesondere VL6P-Zellen aufweisen kann.
In dem Schritt S1 findet eine Modellierung von Spannungsantworten A eines neuen Akkumulators 14 statt, der bevorzugt vom selben Bautyp wie der Akkumulator 10 ist. Hierzu wird der neue Akkumulator 14 mit Belastungsgrößen B beaufschlagt, also z. B. bei unterschiedlichen Temperaturen betrieben und unterschiedliche Betriebströme entnommen. Die eingestellten oder gemessenen Werte der Belastungsgrößen B bilden Trainingsdaten für ein Spannungsmodell 16, um Modellparameter des Spannungsmodells derart anzupassen, dass das Spannungsmodell 16 bei den gegebenen Belastungsgrößen B als Eingangswerten die gemessenen Spannungsantworten A, also die gemessenen Ausgangsspannungen, als Ausgabe- oder Ausgangswerte erzeugt. Beispielsweise kann das Spannungsmodel 16 ein künstliches neuronales Netzwerk umfassen. Das Anpassen parametrischer Modelle mittels Trainingsdaten ist an sich aus dem Stand der Technik bekannt.
Im Schritt S2 wird das Spannungsmodell 16 in ein Batteriesteuergerät 18 (ECU – Electronic Control Unit) implementiert. Das Batteriesteuergerät 18 ist dazu ausgelegt, zu dem Akkumulator 10 Betriebswerte zu einigen oder allen Betriebsgrößen zu ermitteln, die auch die Belastungsgrößen B bildeten. Mit anderen Worten kann das Batteriesteuergerät 18 aktuelle Eingangswerte für das Spannungsmodell 16 im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs 10 ermitteln und damit das Spannungsmodell 16 betreiben.
Im Schritt S3 wird während des Fahrbetriebs der Belastungsstrom I z. B. in der Einheit Ampere gemessen. Zu jedem Messewert Ii wird zum einen die aktuelle Ist-Ausgangsspannung Ui des Akkumulators 10 und zum anderen ein zugehöriger Referenzspannungswert Ur mittels des Spannungsmodels 16 durch das Batteriesteuergerät 18 ermittelt. Aus jedem Messwert Ii für den Belastungsstrom I und der zugehörigen Ist-Ausgangsspannung Ui wird ein Ist-Betriebspunkt 20 gebildet. Aus jedem Messwert Ii für den Belastungsstrom I und der zugehörigen Referenzspannung Ur wird ein Referenz-Betriebspunkt 22 gebildet. Die Ist-Betriebspunkte 20 bilden zusammen ein Ist-Kennfeld 24, die Referenzbetriebspunkte 22 bilden zusammen ein Referenz-Kennfeld 26. Die Kennfelder 24, 26 können das elektrische Verhalten des Akkumulators sowohl für den Boost-Betrieb BST als auch den Rekuperationsbetrieb REC beschreiben.
Die Degradation der Speicherkapazität des Akkumulators kann über das Breiteverhältnis, die Degradation seines Innenwiderstandes kann über das Steigungsverhältnis der Längsachsen der Kennfelder 24, 26 bestimmt werden. Mit einfachen Versuchen können auch noch z. B. Kennlinien oder Tabellen für die Bestimmung des Ist-Verschleißzustandes ermittelt werden, welche dem Breiteverhältnis und/oder dem Steigungsverhältnis einen Kennwert für den Ist-Verschleißzustand zuordnen. Diese Kennlinien oder Tabellen können ebenfalls in dem Batteriesteuergerät 18 gespeichert sein.
Es können aber auch einzelne Istwerte Ui und Referenzwerte Ur ins Verhältnis gebracht werden. Mit der Differenzspannung zwischen dem Spannungsmodell 16 für den neuen Akkumulator 14 und dem im Kraftfahrzeug 12 eingesetzten Akkumulator 10 kann der Degradierungszustand ebenfalls mit verhältnismäßig hoher Güte bestimmt werden.
Durch eine fahrzeugindividuelle Anpassung des Spannungsmodells 16, oder generell des erfindungsgemäß vorgesehenen Referenzmodells, kann in vorteilhafter Weise auch eine Berücksichtigung von Bauteilstreuungen entfallen. Hierzu wird z. B. das Spannungsmodell 16 mittels des Akkumulators 10 gebildet, wenn dieser noch neu ist.
Die Diagnoseergebnisse werden in vorteilhafter Weise auch durch Sensorrauschen nicht verfälscht, da das Sensorrauschen beim Bilden der Trainingsdaten bereits mit in das Spannungsmodell 16 einfließt und damit kompensiert wird.
In dem Schritt S4 kann z. B. durch das Batteriesteuergerät 18 in Abhängigkeit von dem ermittelten Ist-Verschleißzustand DEG die Betriebsstrategie STRAT zugunsten z. B. der Lebensdauer des Akkumulators 10 geregelt werden.
Insgesamt ist durch das Beispiel gezeigt, wie der Verschleißzustand insbesondere eines Li-Ionen-Akkumulators zu jedem Zeitpunkt bekannt sein kann, wodurch insbesondere rechtzeitige Wartungsarbeiten eingeleitet werden können. Dies kann z. B. in dem Kraftfahrzeug 10 dem Fahrer auch signalisiert werden. Es können auch die Betriebsstrategie an den Ist-Verschleißzustand des Akkumulators angepasst und lebensverlängernde Maßnahmen z. B. durch das Batteriesteuergerät 18 eingeleitet werden.
Bezugszeichenliste

10: Eingesetzter Akkumulator
12: Kraftfahrzeug
14: Neuer Akkumulator
16: Spannungsmodell
18: Batteriesteuergerät
20: Ist-Betriebspunkt
22: Referenz-Betriebspunkt
24: Kennfeld
26: Referenzkennfeld
A: Spannungsantwort
B: Belastungsgröße
BST: Boost-Betrieb
DEG: Ist-Verschleißzustand
I: Belastungsstrom
Ii: Messwert
REC: Rekuperationsbetrieb
STRAT: Betriebsstrategie
S1: Schritt
S2: Schritt
S3: Schritt
S4: Schritt
Ui: Ist-Ausgangsspannung
Ur: Referenzspannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009023564 A1 [0004]
DE 102007052240 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Ermitteln eines Ist-Verschleißzustandes (DEG) eines elektrischen Akkumulators (10) eines Kraftfahrzeugs (12), – Bereitstellen eines numerischen Referenzmodells (16), welches einen funktionalen Zusammenhang zwischen zumindest einer einen Betriebszustand des Akkumulators (10) charakterisierenden Betriebsgröße (I) des Akkumulators (10) und zumindest einer vom Betriebszustand abhängigen elektrischen Ausgabegröße (U) des Akkumulators (10) beschreibt, – zu zumindest einem Messzeitpunkt während eines Fahrbetriebes des Kraftfahrzeugs (12) Ermitteln eines aktuellen Betriebswerts (Ii) zu jeder Betriebsgröße (I) und eines aktuellen Istwerts (Ui) zu jeder Ausgabegröße (U), dadurch gekennzeichnet, dass auf der Grundlage jedes aktuellen Betriebswerts (Ii) mittels des Referenzmodells (16) zu jeder Ausgabegröße (U) ein Referenzwert (Ur) erzeugt wird, wie ihn der Akkumulator (10) in einem vorbestimmten Referenz-Verschleißzustand erzeugen würde, und der aktuelle Ist-Verschleißzustand (DEG) in Abhängigkeit von dem Istwert (Ui) jeder Ausgabegröße (U) und dem Referenzwert (Ur) jeder Ausgabegröße (U) sowie in Abhängigkeit von dem Referenz-Verschleißzustand ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest einen Messzeitpunkt als Ausgangswert (Ui) eine Akkumulatorspannung (U) und als Referenzwert (Ur) eine Referenzspannung ermittelt wird und der Ist-Verschleißzustand (DEG) als Funktion einer aus der Referenzspannung (Ur) und der Akkumulatorspannung (Ui) berechneten Differenzspannung ermittelt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zu mehreren unterschiedlichen Messzeitpunkten jeweils aus dem aktuellem Betriebswert (Ii) zu jeder Betriebsgröße (I) und dem aktuellen Istwert (Ui) zu jeder Ausgabegröße (U) insgesamt ein aktueller Betriebspunkt (20) gebildet wird und alle aktuellen Betriebspunkte (20) zu einem Kennfeld (24) kombiniert werden, dessen Breite eine Speicherkapazität des Akkumulators (10) und/oder dessen Steigung seiner Längsachse einen Innenwiderstand des Akkumulators (10) angibt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Referenzkennfeld (26) aus den Betriebswerten (Ii) und den Referenzwerten (Ur) aller Messzeitpunkte gebildet wird und hieraus eine Referenz-Speicherkapazität und/oder ein Referenz-Innenwiderstand ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von dem ermittelten Ist-Verschleißzustand (DEG) eine das Einstellen der Betriebsgrößen (I) bestimmende Betriebsstrategie (STRAT) für einen zukünftigen Betrieb des Akkumulators (10) festgelegt wird.
Kraftfahrzeug (12) mit einem Steuergerät (18), dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (18) ein numerisches Referenzmodell (16) aufweist, welches einen funktionalen Zusammenhang zwischen zumindest einer einen Betriebszustand des Akkumulators (10) charakterisierenden Betriebsgröße (I) des Akkumulators (10) und zumindest einer davon abhängigen elektrischen Ausgabegröße (U) des Akkumulators (10) beschreibt, wie sie der Akkumulator (10) in einem vorgegebenen Referenz-Verschleißzustand erzeugen würde, wobei das Kraftfahrzeug (12) dazu ausgelegt ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.