DE102013100393A1

DE102013100393A1 - Batteriezustandsschätzer mit überspannungsbasierten variablen Widerständen

Info

Publication number: DE102013100393A1
Application number: DE102013100393A
Authority: DE
Inventors: Brian J. Koch; Krishnan S. Hariharan; Senthil K. Vadivelu
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-02-17
Filing date: 2013-01-15
Publication date: 2013-08-22
Anticipated expiration: 2033-01-16
Also published as: US20130218496A1; US9176198B2; DE102013100393B4; CN103257317B; CN103257317A

Abstract

Ein Batteriemodell und eine Ersatzschaltung, die einen ohmschen Widerstand, ein erstes RC-Glied, das eine Batteriezellen-Charge-Transfer-Reaktion und Doppelschichtprozesse modelliert, und ein zweites RC-Glied, das die Batteriezellendiffusion modelliert, beinhaltet. Sowohl der ohmsche Widerstand, als auch der Charge-Transfer-Reaktionswiderstand und auch der Diffusionswiderstand in dem Modell sind variable Widerstände, wobei jeder Widerstand sich in Reaktion auf eine Änderung im Spannungspotential über dem Widerstand ändert.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Schaltungsmodell zum Schätzen eines Ladezustands (SOC) für eine Batterie auf einem Fahrzeug und insbesondere auf ein Schaltungsmodell, das den Ladezustand für eine Batterie auf einem Fahrzeug schätzt, während das Fahrzeug in Betrieb ist, wobei Widerstände innerhalb des Schaltungsmodells variabel spannungsabhängig sind.
2. Diskussion des Standes der Technik
Elektrofahrzeuge werden immer häufiger. Diese Fahrzeuge umfassen Hybridfahrzeuge wie zum Beispiel Elektrofahrzeuge mit verlängerter Reichweite (EREV), die eine Batterie und eine Hauptantriebsquelle, wie zum Beispiel eine Verbrennungskraftmaschine, ein Brennstoffzellensystem etc. beinhalten, und reine Elektrofahrzeuge, wie zum Beispiel batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEV). All diese Arten von Elektrofahrzeugen verwenden eine Hochvoltbatterie, die eine Anzahl von Batteriezellen umfasst. Diese Batterien können verschiedene Batteriearten sein, wie zum Beispiel eine Lithiumionen-Batterie, eine Nickel-Metallhydrid-Batterie, eine Blei-Batterie etc. Die Batterie kann auch einzelne Batteriemodule beinhalten, wobei jedes Batteriemodul wiederum eine gewisse Anzahl von Batteriezellen enthalten kann, so zum Beispiel zwölf Zellen. Die einzelnen Batteriezellen können miteinander elektrisch in Reihe geschaltet oder eine Reihe von Zellen kann elektrisch parallel geschaltet sein, wobei eine Anzahl von Zellen in dem Modul in Reihe geschaltet ist und jedes Modul mit den anderen Modulen elektrisch parallel geschaltet ist. Verschiedene Fahrzeugkonzepte erfordern verschiedene Batteriekonzepte, die verschiedene Vor- und Nachteile für die einzelne Anwendung mit sich bringen.
Batterien spielen eine wichtige Rolle bei der Energieversorgung von Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen. Lithiumionen-Batterien haben sich als vielversprechend für Elektrohybridfahrzeuge erwiesen. Die Effektivität der Batteriesteuerung und des Powermanagements ist für die Fahrzeugleistungsfähigkeit, den Treibstoffverbrauch, die Batterielebensdauer und den Passagierkomfort essenziell. Für die Batteriesteuerung und das Powermanagement müssen zwei Zustände der Batterie, nämlich der Ladezustand und die Batterieleistungsfähigkeit vorhergesagt oder geschätzt und in Echtzeit überwacht werden, da sie selten während des Fahrzeugbetriebs messbar sind. Der Batterieladezustand und die Batterieleistung können jedoch aus dem gemessenen Batteriestrom und der Batteriespannung durch Auflösen einer Gleichung, die ein Ersatzschaltungsmodell der Batterie wiedergibt, nach diesen Parametern geschätzt werden. Diese Parameter beinhalten einen zu den Elektronenleitern innerhalb der Zelle gehörigen ohmschen Widerstand, RC-Glieder, um die elektrochemische Reaktion an der Elektroden/Elektrolyt-Grenzfläche und die Diffusionseffekte in den festen und flüssigen Phasen zu fassen, und eine Leerlaufspannung (OCV), die mit den Konzentrationen der Reaktanten und Produkten, die an der Reaktion beteiligt sind, variiert. Die Leerlaufspannung kann direkt in eine Schätzung des Ladezustands umgewandelt werden und die Schaltungsmodellgleichung kann umgeordnet und nach der Leistung aufgelöst werden, wenn die Werte für die anderen Parameter bekannt sind. Viele Schätzalgorithmen für Batteriezustände, die auf der Prämisse von Schaltungsmodelldarstellungen basieren, wurden unter Verwendung verschiedener Vorgehensweisen im Stand der Technik entwickelt und einige davon wurden in Fahrzeugen implementiert.
Es ist gut bekannt, dass die Batteriedynamiken im Allgemeinen nicht linear und hochgradig von den Batteriebetriebsbedingungen abhängig sind. Für eine Schätzung der Batterieparameter auf dem Fahrzeug wird ein lineares Modell, das wenige Frequenz-Moden aufweist, verwendet, um für eine spezifische Applikation eine dominante Dynamik einer Batterie zu approximieren, beispielsweise eine Leistungsvorhersage oder. eine Ladezustandsschätzung. Der Grund dafür liegt hauptsächlich in der begrenzten Rechenleistung und Speicherverfügbarkeit für auf dem Fahrzeug befindliche Anwendungen. Eine exakte Schätzung aller Batterieparameter in einem komplexen Modell mit möglichst vielen Frequenz-Moden kann jedoch tatsächlich nicht garantiert werden, auch wenn unbegrenzte Rechenleistung und Speicher verfügbar wären, da einiges an Information über den gesamten Bereich des dynamischen Verhaltens aus der gemessenen Klemmenspannung und dem gemessenen Klemmenstrom für irgendeinen vorgegebenen Bereich der beobachteten Anregung fehlen könnte. Demzufolge ist es weder praktisch noch ist es notwendig, alle Frequenz-Moden in einem Modell abzudecken, solange der Schätzfehler, der von Modellunsicherheiten herrührt, innerhalb eines akzeptablen Bereichs für eine spezifische Anwendung liegt.
US Patent Application Serial Number 11/867,497, angemeldet am 4. Oktober 2007, nun veröffentlicht als Patent Application Publication US2009/0091299 , mit dem Titel ”Dynamisches Adaptierungsverfahren zum Bestimmen des Ladezustands einer Batterie”, angemeldet von dem Anmelder dieser Erfindung und hiermit durch Bezugnahme inkorporiert, offenbart ein Verfahren zum Bestimmen eines Batterieladezustands und einer Batterieleistung unter Verwendung von vier Batterieparametern, nämlich der Batterieleerlaufspannung, einem ohmschen Widerstand und dem Widerstand und der Kapazität eines RC-Gliedes.
Es ist allgemeine Praxis, die Spannung einer Batterie, die für eine signifikante Zeitdauer im Ruhezustand gewesen war, zu messen und diese Spannungsmessung in eine Schätzung des Ladezustands umzuwandeln. In dieser Situation wird die gemessene Klemmenspannung als gleich zu der Leerlaufspannung angenommen und ist direkt ermittelbar, so dass die Auflösung einer komplexen Schaltmodellgleichung unnötig ist. Falls aber Lasten an der Batterie liegen, was normalerweise der Fall ist, wenn das Fahrzeug in Betrieb ist, ist es jedoch notwendig, den Spannungsverlust, der von diesen Lasten verursacht wurde, von der gemessenen Klemmenspannung zu entfernen oder zu subtrahieren, um die Leerlaufspannung zu schätzen. Das Modell für ein Schätzmodell für einen Batterieladezustand, das eine Ersatzschaltung verwendet, ist komplex und muss genau sein, so dass die Spannungsverluste, die von verschiedenen Elementen des Schaltungsmodells herrühren, exakt von der Klemmenspannung entfernt werden können, um eine ordnungsgemäße Schätzung des Batterieladezustands zu erhalten. Das oben erwähnte vereinfachte Schaltungsmodell der Batteriepolarisation ist im Allgemeinen für die Berechnung des Batterieladezustands effektiv. Während bestimmter Betriebsbedingungen allerdings, beispielsweise bei niedrigen Temperaturen, einem hohen oder einem niedrigen Batterieladezustand etc., ermöglicht es die Komplexität der tatsächlichen Batteriechemie dem vereinfachten Schaltungsmodell nicht, diese Bedingungen exakt darzustellen.
US 7,646,166 erteilt am 12. Januar 2010 für Koch et al., mit dem Titel ”Verfahren und Vorrichtung zum Modellieren der Diffusion in einem elektrochemischen System”, eingetragen auf den Anmelder dieser Anmeldung und hiermit durch Bezugnahme inkorporiert, offenbart eine Technik zur Modellbildung einer Fahrzeugbatterieschaltung zum Bestimmen eines Batterieladezustands, der ein Diffusionsschaltungselement mit einem variablen Widerstand beinhaltet, um den Diffusionsanteil in dem Schaltungsmodell genauer zu definieren. Der variable Widerstand wird in dem Diffusionsschaltungselement basierend auf der Kapazität eines Kondensators in einem RC-Glied in diesem Schaltungselement geregelt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Im Einklang mit den Lehren der vorliegenden Erfindung werden ein Batteriemodell und eine Ersatzschaltung, welche einen ohmschen Widerstand, ein erstes RC-Glied, das eine Batteriezellen-Charge-Transfer-Reaktion und Doppelschichtprozesse modelliert, und ein zweites RC-Glied, das die Batteriezellendiffusion modelliert, beinhaltet, offenbart. Sowohl der ohmsche Widerstand, als auch der Charge-Transfer-Reaktionswiderstand, als auch der Diffusionswiderstand in dem Modell sind variable Widerstände, wobei jeder Widerstand sich aufgrund einer Änderung im Spannungspotential über dem Widerstand ändert.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Figuren deutlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist eine vereinfachte Draufsicht auf ein Hybridfahrzeug mit einer Batterie und einer Hauptenergiequelle; und
2 ist ein schematisches Diagramm eines Batterieschaltungsmodells mit variablen Widerständen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Batterieschaltungsmodell mit spannungs-basierten variablen Widerständen gerichtet ist, ist rein beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen einzuschränken. Beispielsweise findet das Batterieschaltungsmodell eine besondere Anwendung bei einer Fahrzeugbatterie. Fachleuten ist es allerdings leicht verständlich, dass das Batteriemodell eine Anwendung bei anderen Arten von Batterien haben kann.
1 ist eine vereinfachte Draufsicht auf ein Fahrzeug 10 mit einer Hochvoltbatterie 12 und einer Hauptenergiequelle 14, wobei das Fahrzeug 10 dazu gedacht ist, jegliches Hybridfahrzeug, beispielsweise ein Hybridfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine, ein Brennstoffzellenfahrzeug etc. darzustellen. Das Fahrzeug 10 ist ferner dazu gedacht, jegliches reines Elektrofahrzeug, das nur eine Batterie als alleinige Energiequelle verwendet, darzustellen. Das Fahrzeug 10 beinhaltet einen Controller 16, der dazu gedacht ist, alle Steuermodule und Geräte darzustellen, die für den ordnungsgemäßen Betrieb notwendig sind, und die Leistung, die von der Batterie 12 und der Energiequelle 14 geliefert wird, zu steuern, um das Fahrzeug 10 anzutreiben, die Batterie 12 mithilfe der Energiequelle 14 wiederaufzuladen oder rekuperatives Bremsen bereitzustellen, und den Batterieladezustand und die Leistungskapazität zu bestimmen. Ein Temperatursensor 18 stellt eine Temperaturmessung an der Batterie 12 aus Gründen, die aus der unten geführten Diskussion verständlich werden, bereit.
2 ist ein schematisches Diagramm einer Ersatzschaltung 20 mit zwei RC-Gliedern, das als Batteriemodell dient. Die Schaltung 20 beinhaltet am Knoten 22 ein Potential, welches die Batteriespannung ist, und beinhaltet den Batteriestrom. Eine Quelle 26 stellt die Batterieleerlaufspannung dar und ein Widerstand 28 stellt den ohmschen Widerstand R der Schaltung 20 dar. Ein erstes RC-Glied 30 modelliert die Batteriezellen-Charge-Transfer-Reaktion und Doppelschichtprozesse, die Fachleuten gut bekannt sind, in der Batterie 12. Das RC-Glied 30 beinhaltet einen Kondensator 34, der eine Doppelschicht(DLR)-Kapazität C_dl ist, und ein variabler Widerstand 32 ist ein Charge-Transfer(CT)-Reaktionswiderstand R_ct. Ein zweites RC-Glied 36 modelliert die Festkörperdiffusionsladung der Batteriezelle von der Batterie 12, die ebenfalls Fachleuten gut bekannt ist. Das RC-Glied 36 beinhaltet einen variablen Widerstand 38, der ein Diffusionswiderstand R_df ist, und einen Kondensator 40, der eine Diffusionskapazität C_df ist.
Das grundlegende Ersatzschaltungsmodell, das in der Schaltung 20 gezeigt ist, bei der die Widerstände 28, 32 und 38 nicht variable sondern feste Widerstände sind, ist eine Fachleuten gut bekannte Ersatzschaltung für ein Batteriemodell. Wie oben diskutiert, ist es nicht möglich, den Batterieladezustand während des Betriebs der Batterie 12 unter gewissen Bedingungen wegen der Komplexität, die für dieses Modell erforderlich wäre, exakt zu modellieren und wegen der Rechenleistung, die erforderlich wäre, um das Modell zu überwachen. Demzufolge liefert das bekannte Batterieschaltungsmodell bei gewissen Betriebsbedingungen nicht den genauesten Batterieladezustand.
Im Einklang mit der Erfindung wird jeder der festen Widerstände in dem bekannten Schaltungsmodell durch die variablen Widerstände 28, 32 und 38 ersetzt, deren Widerstand sich bei jedem Rechenzeitschritt aufgrund der Spannung über dem jeweiligen Widerstand ändert. Insbesondere ändert sich der Wirkwiderstand des ohmschen Widerstands 28 in Reaktion auf die gemessene Spannung der Quelle 22, der Wirkwiderstand des Widerstands 32 ändert sich in Reaktion auf das Spannungspotential über dem RC-Glied 30 an den Knoten 42 und 44 und der Wirkwiderstand des Widerstands 38 ändert sich mit dem Spannungspotential über dem RC-Glied 36 an den Knoten 44 und 46. Die unten geführte Diskussion zeigt, wie sich jeder dieser Wirkwiderstände in Reaktion auf die Spannung ändert, wobei R der Wirkwiderstand des Widerstands 28, R₁ der Wirkwiderstand des Widerstands 32 und R₂ der Wirkwiderstand des Widerstands 38 ist.
Die Wirkwiderstände R, R₁ und R₂ werden basierend auf den Spannungs- und Stromausgleichsgleichungen (1)–(5) unten für die Spannung V und den Strom I in der Schaltung 20 bestimmt, wobei der Wirkwiderstand R₁ für den Charge-Transfer auf der Theorie basiert und die Wirkwiderstände R und R₂ auf experimentellen Daten basieren:
wobei V₀ die Leerlaufspannung, n der Index des betrachteten RC-Gliedes (entweder 30 oder 36), I_Cn der Stromfluss durch die Kondensatoren 34 oder 40, I_Rn der Stromfluss durch die Widerstände 32 oder 38 und Q die Ladung ist, wobei die Spannung über dem RC-Glied 30 und dem RC-Glied 36 bei jedem Zeitschritt bestimmt wird.
Der Wirkwiderstand R₁ zu einem bestimmten Zeitpunkt kann ausgehend von einer Charge-Transfer-Reaktion an den Batterieelektroden wie folgt bestimmt werden:
wobei i der von der Charge-Transfer-Reaktion erzeugte Strom, i₀ die Austauschstromdichte, F die Faraday-Konstante, V₁ die Spannung über den Knoten 42 und 44, T die Temperatur der Batterie 12, die beispielsweise von dem Temperatursensor 80 bereitgestellt wird, und R_g die ideale Gaskonstante und r₁₀ ein fester und kalibrierbarer, experimentell bestimmter Wirkwiderstand ist.
Die Gleichungen (1) bis (5) können in einer Zustandsraumdarstellung der Schaltung 20 wie folgt ausgedrückt werden:
V = V₀ + IR + V₁ (9) wobei V₂ die Spannung über den Knoten 44 und 46, C₁ die Kapazität des Kondensators 34 und C₂ die Kapazität des Kondensators 40 ist.
Zur Lösung der Gleichungen (8) und (9) wird vorgeschlagen, dass die Wirkwiderstände R und R₂ die folgende Form haben:
wobei r₂₀, r₂₁, r₀ und r₁ feste und kalibrierbare, experimentell bestimmte Wirkwiderstände sind.
Die Kapazitäten und Wirkwiderstände in den Gleichungen (7) bis (11) variieren in Abhängigkeit von einer Zahl von Faktoren, zu denen die Temperatur, die Batteriezellenchemie, die Batteriekapazität, die Batteriegröße etc. gehören. Nicht einschränkende Beispielswerte für diese Parameter werden in den Tabellen I und II unten wiedergegeben. Tabelle I

Parameter Wert

r₁₀ 0,00022062

C₁ 8009,3

r₂₀ 0,002211

r₂₁ 1,0029

C₂ 13825

r₀ 0,0038741

r₁ 1,5406

Tabelle II

Parameter Wert

r₁₀ 6,9156e-005

C₁ 1167

r₂₀ 7,7218e-005

r₂₁ 2,0432

C₂ 17399

r₀ 0,0035992

r₁ 2,0483
Es wird angemerkt, dass die Ersatzschaltung 20, die die Batterie 12 modelliert, verschiedene Anwendungen in der Technik haben kann, zu denen ohne Einschränkung ein Batteriezustandsschätzer für den Ladezustand der Batterie 12 während dem Betrieb des Fahrzeugs 10 gehört.
Wie von Fachleuten gut verstanden wird, können verschiedene oder einige Schritte und Verfahren, die hier erörtert wurden, um die Erfindung zu beschreiben, von einem Computer, einem Prozessor oder einer anderen elektronischen Recheneinheit ausgeführt werden, die mit Hilfe elektrischer Phänomene Daten manipuliert und/oder transformiert. Diese Computer und elektrischen Geräte können verschiedene flüchtige und/oder nicht flüchtige Speicher inklusive einem festen computerlesbaren Medium mit einem darauf befindlichen ausführbaren Programm beinhalten, das verschiedene Codes oder ausführbare Instruktionen beinhaltet, die von dem Computer oder Prozessor ausgeführt werden, wobei der Speicher und/oder das computerlesbare Medium alle Formen und Arten von einem Speicher und anderen computerlesbaren Medien beinhalten kann.
Die vorhergehende Diskussion zeigt und beschreibt rein exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann kann leicht aus der Diskussion an den beigefügten Figuren und Patentansprüchen erkennen, dass zahlreiche Änderungen, Modifikationen und Variationen gemacht werden können, ohne dabei den Geist und den Bereich der Erfindung zu verlassen, wie er mit den folgenden Patentansprüchen definiert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2009/0091299 [0005]
US 7646166 [0007]

Claims

Ein Schaltungsmodell für eine Batterie umfassend: – eine Spannungsquelle; – ein variabler ohmscher Widerstand, der mit der Spannungsquelle elektrisch in Reihe gekoppelt ist; – ein erstes RC-Glied, das mit dem ohmschen Widerstand und der Spannungsquelle elektrisch in Reihe gekoppelt ist, wobei das erste RC-Glied einen ersten Kondensator und einen ersten variablen Widerstand umfasst, die miteinander elektrisch parallel gekoppelt sind; und – ein zweites RC-Glied, das mit dem ersten RC-Glied, dem ohmschen Widerstand und der Spannungsquelle elektrisch in Reihe gekoppelt ist, wobei das zweite RC-Glied einen zweiten Kondensator und einen zweiten variablen Widerstand beinhaltet, die miteinander elektrisch parallel gekoppelt sind, wobei der variable ohmsche Widerstand, der erste variable Widerstand und der zweite variable Widerstand variable Wirkwiderstände haben, die sich in Reaktion auf eine Spannungsänderung über dem Widerstand ändern.
Schaltungsmodell nach Anspruch 1, wobei das erste RC-Glied eine Charge-Transfer-Reaktion und Doppelschichtprozesse in Batteriezellen in der Batterie modellieren.
Schaltungsmodell nach Anspruch 1, wobei das zweite RC-Glied die Batteriezellendiffusion in der Batterie modelliert.
Schaltungsmodell nach Anspruch 1, wobei die Batterie eine Fahrzeugbatterie ist.
Schaltungsmodell nach Anspruch 4, wobei die Batterie eine Lithiumionen-Batterie ist.
Schaltungsmodell nach Anspruch 1, wobei der ohmsche variable Widerstand gemäß der Gleichung:
variabel ist, wobei R der Wirkwiderstand des ohmschen variablen Widerstands, V die Zellenspannung über dem ohmschen variablen Widerstand und r₀ und r₁ vorbestimmte konstante Wirkwiderstände sind.
Schaltungsmodell nach Anspruch 1, wobei der erste variable Widerstand gemäß der Gleichung:
variabel ist, wobei R₁ der Wirkwiderstand des ersten variablen Widerstands, V₁ die Spannung über dem ersten variablen Widerstand, F die Faraday-Konstante, T die Temperatur der Batterie, R_g die ideale Gaskonstante und r₁₀ ein vorbestimmter konstanter Wirkwiderstand ist.
Schaltungsmodell nach Anspruch 1, wobei der zweite variable Widerstand gemäß der Gleichung:
variabel ist, wobei R₂ der Wirkwiderstand des zweiten variablen Widerstands, V₂ die Spannung über dem zweiten variablen Widerstand, und r₂₀ und r₂₁ vorbestimmte konstante Wirkwiderstände sind.
Schaltungsmodell nach Anspruch 1, wobei das Schaltungsmodell Teil eines Batteriezustandsschätzers ist.