DE102013214292A1

DE102013214292A1 - Ladezustandserkennung elektrochemischer Speicher

Info

Publication number: DE102013214292A1
Application number: DE102013214292.7A
Authority: DE
Inventors: Gernot Herbst; Holger Wolfschmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-07-22
Filing date: 2013-07-22
Publication date: 2015-01-22
Anticipated expiration: 2033-07-23
Also published as: DE102013214292B4

Abstract

Ein Verfahren zum Bestimmen des Ladezustands einer Batterie umfasst folgende Schritte: – Messung der an der Batterie anliegenden Spannung (U) während des Batteriebetriebs, – Messung des Ladestroms (I) und der Temperatur (T), – Vergleich der gemessenen Spannung (U) mit einem ersten Spannungsschwellwert (U1s), wenn der Ladestrom (I) negativ ist, d.h. eine Entladung der Batterie erfolgt, – Berechnung der Ladungsmenge (Ah1momentan) aus einem Entlademodell, wenn die gemessene Spannung (U) unterhalb des ersten Spannungsschwellwertes (U1s) liegt und Berechnung der verfügbaren Kapazität (C) und des Ladezustands, – Vergleich der gemessenen Spannung (U) mit einem zweiten Spannungsschwellwert (U2s), wenn der Ladestrom (I) positiv ist, d.h. eine Ladung der Batterie erfolgt, – Berechnung der Ladungsmenge aus einem Lademodell, wenn die gemessene Spannung (U) oberhalb des zweiten Spannungsschwellwertes (U2s) liegt und Berechnung der verfügbaren Kapazität (C) und des Ladezustands.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Bestimmen des Ladezustands einer Batterie, beispielsweise einer Traktionsbatterie in einem Fahrzeug oder einer stationären Batterie.
Der Ladezustand einer Batterie ist nach dem Stand der Technik aus der Leerlaufspannung der Batterie herleitbar.
Der Zusammenhang zwischen der Leerlaufspannung und dem Ladezustand einer Batterie wird beispielsweise bei einem aus der DE 10 2010 050 980 A1 bekannten Verfahren genutzt. Weiter werden bei diesem bekannten Verfahren Alterungseinflüsse, denen die Batterie ausgesetzt ist, berücksichtigt. Ein Verfahren zur Bestimmung des Alterungszustandes einer Batterie ist auch aus der DE 195 40 827 C2 bekannt.
Generell ist die Ladekennlinie, d.h. die den Zusammenhang zwischen Leerlaufspannung und Ladezustand einer Batterie aufzeigende Kennlinie, gut für die Bestimmung des Ladezustands einer Batterie geeignet, welche eine deutliche Abhängigkeit zwischen Leerlaufspannung und Ladezustand in möglichst jedem Zustand der Batterie aufweist. Batterien mit in Teilbereichen flacher Ladekennlinie sind dagegen für eine Bestimmung des Ladezustands auf Basis dieser Kennlinie weniger geeignet.
Als weitere Methode zur Bestimmung des Ladezustands einer Batterie kann auch die Ladungsmenge, welche beim Entladen der Batterie aus dieser bzw. beim Laden der Batterie in diese fließt, erfasst werden. Das Messen von Zustandsgrößen einer Batterie mit Integration des Ausgabe- und Eingabestromes (Stromintegrationsverfahren) ist beispielsweise aus der EP 0 987 555 B1 sowie aus der EP 1 584 941 B1 bekannt.
Der Ah-Zähler ist eine gängige Methode, welche keine Einschränkungen im Betrieb aufweist, jedoch eine hochpräzise Strommessung benötigt. Die Kalibration dieser Methode erfordert zudem die Verbindung mit einer anderen Methode, z.B. der Ruhespannungs-SoC-Korrelation oder einer definierten Voll- oder Entladung, beides führt zu einer Abkopplung des Speichers aus dem normalen Betrieb. Bei neuartigen Li Ionen-Zellen kann eine sehr flache Kennlinie zugrunde liegen. In diesem Fall kann die Ruhespannungs-SoC-Korrelation nicht verwendet werden, der Ah-Zähler ist als Stand der Technik-Methode mit den oben genannten Einschränkungen weiterhin anwendbar.
Werden Speicher betrieben, also Ladung wird ein- oder ausgelagert, wird zusätzlich zur Ruhespannung eine treibende Spannung (Überspannung) nötig, welche die Reaktionen ablaufen lässt. Diese Spannung ist größer im Vergleich zur Ruhespannung beim Laden und kleiner im Vergleich zur Ruhespannung beim Entladen. Der Vorgang des Ladens und Entladens ist in 1 dargestellt. Zusätzlich hierzu ist der Einfluss von Temperaturunterschieden aufgezeigt, welcher einen deutlichen Einfluss auf den Spannungsverlauf hat. Ein ähnlicher Einfluss ist zu erwarten, wenn der Speicher mit unterschiedlicher Strombelastung bzw. bei fortgeschrittener Alterung der Zelle betrieben wird.
In der noch unveröffentlichten Anmeldung mit dem Aktenzeichen 102013206896.4 ist die Verwendung einzelner Spannungsschwellwerte zur Triggerung der Bestimmung des Ladezustands vorgeschlagen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ladezustandserkennung einer Batterie der oben genannten Art vorzuschlagen, das bzw. die die Ladezustandserkennung im laufenden Betrieb ohne aktives Eingreifen ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 7, die zur Bestimmung des Ladezustands einer Batterie 1, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1.
Das Verfahren zum Bestimmen des Ladezustands einer Batterie umfasst gemäß Anspruch 1 folgende Schritte:

– Messung der an der Batterie anliegenden Spannung während des Batteriebetriebs,
– Messung des Ladestroms und der Temperatur,
– Vergleich der gemessenen Spannung mit einem ersten Spannungsschwellwert, wenn der Ladestrom negativ ist, d.h. eine Entladung der Batterie erfolgt,
– Berechnung der Ladungsmenge aus einem Entlademodell, wenn die gemessene Spannung unterhalb des ersten Spannungsschwellwertes liegt und Berechnung der verfügbaren Kapazität und des Ladezustands,
– Vergleich der gemessenen Spannung mit einem zweiten Spannungsschwellwert, wenn der Ladestrom positiv ist, d.h. eine Ladung der Batterie erfolgt,
– Berechnung der Ladungsmenge aus einem Lademodell, wenn die gemessene Spannung oberhalb des zweiten Spannungsschwellwertes liegt und Berechnung der verfügbaren Kapazität und des Ladezustands.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens nach Anspruch 1 sind den Unteransprüchen 2 bis 6 zu entnehmen.
Unter dem Begriff Batteriebetrieb wird hierbei sowohl die Entladung der Batterie bei mindestens einem angeschlossenen Verbraucher als auch das Laden der Batterie verstanden. Der Ladezustand wird allgemein auch als SoC (State of Charge) bezeichnet und in Prozent, bezogen auf den Zustand der vollständigen Ladung der Batterie, angegeben. Der Begriff Batterie umfasst alle Arten von elektrochemischen Energiespeichern, insbesondere Akkumulatoren als wiederaufladbare Batterien. Der Dauerfestigkeitsspannungswert ist die maximale Spannung, bei welcher die Batterie dauerhaft betreibbar ist und wird auch als maximal zulässiger Spannungswert bezeichnet. Beispiele von Batterien, welche für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet sind, sind Blei-Akkumulatoren, Nickel-basierte Batterien, sowie Lithium-Ionen-Batterien. Insbesondere ist das Verfahren für Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren (LiFePO₄-Akkumulatoren) sowie Lithiumtitanat-Akkumulatoren geeignet. In allen Fällen kann es sich um Batterien für stationäre oder mobile Anwendungen handeln.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die Bestimmung des Ladezustands einer Batterie allein über deren Ladekennlinie, d.h. die Korrelation der an der Batterie anliegenden Spannung mit ihrem Ladezustand, den je nach Anwendungsfall unterschiedlichen Genauigkeits- und Zuverlässigkeitsanforderungen nicht in allen Fällen gerecht wird.
Zudem haben bekannte Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands einer Batterie teilweise den Nachteil, dass die Batterie im Zuge der Ladezustandsbestimmung definierten Strompulsen ausgesetzt werden muss und dabei nicht für die Versorgung eines Stromverbrauchers zur Verfügung steht. Teilweise sind nach dem Stand der Technik beträchtliche Ruhephasen zur Bestimmung des Ladezustands einer Batterie einzuhalten, wobei zu kurze Ruhephasen zur Spannungsrelaxation große Fehler, insbesondere bei einem Batteriebetrieb bei niedrigen Temperaturen und/oder hohen Strömen, bezogen auf die Batteriekapazität, hervorrufen kann.
Der Ladezustand (SoC) der Batterie ist folgendermaßen definiert: SoC = AhMomentan/AhKapazität, wobei AhMomentan die momentane Ladung der Batterie (üblicherweise, jedoch nicht zwangsläufig, in Amperestunden angegeben) und AhKapazität die in derselben Einheit anzugebende Kapazität der Batterie in deren aktuellem Alterungszustand bezeichnet.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
1 Spannungs-Ladungszustandskurven einer Batterie mit teilweise sehr flachem Spannungsverlauf bei unterschiedlicher Temperatur,
2 in einem dreidimensionalen Diagramm die Strom- und Temperaturabhängigkeit der Kapazität einer Batterie,
3a, 3b zwei dreidimensionale Schnittdarstellungen des durch ein quadratisches, polynomiales Modell hinterlegten vierdimensionalen Zusammenhangs fEntladung = f(U, I, T) für zwei verschiedene Temperaturen und
4 in einem Flussdiagramm einen Ablaufplan zur Bestimmung des Ladezustands einer Batterie.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zur Bestimmung des Ladezustands (SoC) der Batterie im laufenden Betrieb die beiden Größen AhMomentan und AhKapazität ermittelt, da sich nicht nur der Ladezustand, sondern auch die nutzbare Kapazität C mit den Betriebs- und Umgebungsbedingungen ändert, z.B. mit der Temperatur. In der vorliegenden Erfindungsmeldung wird vorgeschlagen, beide Größen in Abhängigkeit der Betriebs- und Umgebungsbedingungen zu modellieren. Eingangsgrößen dieser Modelle sind z.B. die Batteriespannung U, die Ladestromstärke I und die Temperatur T. Da sich Lade- und Entladevorgänge in unterschiedlicher Weise auswirken (Hysteresecharaktistik), ist es weiterhin sinnvoll, die Modellierung getrennt nach Lade- und Entladevorgang vorzunehmen.
Die unter den aktuellen Bedingungen maximal nutzbare Kapazität C einer Batterie kann insbesondere von der Temperatur T sowie der Stromstärke des Lade- bzw. Entladestroms I beeinflusst sein. Die Haupteinflussgrößen sollten deshalb bei der Modellierung berücksichtigt werden: AhKapazität, Momentan = fKapazität(Stromstärke, Temperatur)·α.
Hierbei ist ein Alterungsfaktor α als eine Möglichkeit der Modellierung von Alterungseffekten berücksichtigt. Ein solches Modell fKapazität ist beispielhaft in 2 grafisch dargestellt.
Wenn ein Ladevorgang vorliegt, d.h. bei positivem Ladestrom I, kann die bereits in der Batterie gespeicherte Ladungsmenge AhLadung, Momentan einem geeigneten Modell fLadung entnommen werden. Bei Batterien mit einer sehr flachen Spannungs-Ladezustands-Charakteristik ist, wie in 1 dargestellt, die Batteriespannung U erst dann zur Bestimmung des Ladezustands benutzbar, wenn diese einen ersten Schwellwert U2s beim Ladevorgang überschreitet, der den Beginn der Gültigkeit dieses Modells angibt. Als weitere Eingangsgrößen neben der Batteriespannung U kann das Modell die Ladestromstärke I, die Temperatur T oder weitere Größen aufweisen, die sich messtechnisch erfassen oder schätzen lassen.
Daraus und über die bereits bestimmte nutzbare Gesamtkapazität unter den aktuellen Betriebsbedingungen AhKapazität, Momentan lässt sich der Ladezustand während des Ladevorgangs SoCLadevorgang mit folgenden Gleichungen bestimmen: AhLadung, Momentan = fLadung(Spannung, Stromstärke, Temperatur)·α SoCLadevorgang = AhLadung, Momentan/AhKapazität, Momentan
Alternativ dazu ist es auch möglich, nicht die bereits in der Batterie gespeicherte Ladungsmenge AhLadung, Momentan zu modellieren, sondern die noch unter den aktuellen Bedingungen von der Batterie aufnehmbare Restladungsmenge AhLadung, Rest bis zum Erreichen der vollständigen Ladung. Entsprechend lauten die Gleichungen: AhLadung, Rest = fLadung, Rest(Spannung, Stromstärke, Temperatur)·α AhLadung, Momentan = AhKapazität, Momentan – AhLadung, Rest SoCLadevorgang = AhLadung, Momentan/AhKapazität, Momentan
Während eines Entladevorgangs, d.h. bei negativem Ladestrom I, kann die momentan in der Batterie gespeicherte und von ihr abgebbare Ladungsmenge AhEntladung, Momentan einem Modell fEntladung entnommen werden, sobald die Batteriespannung U einen Schwellwert U1s beim Entladevorgang unterschreitet, der die Nutzbarkeit dieses Modells in Abhängigkeit von der Spannung gemäß 1 angibt. AhEntladung, Momentan = fEntladung(Spannung, Stromstärke, Temperatur)·α SoCEntladevorgang = AhEntladung, Momentan/AhKapazität, Momentan
Da es sich um vierdimensionale Zusammenhänge handelt, ist die grafische Darstellung eines solchen Modells nicht trivial. In den 3a, 3b sind als Beispiel eines durch den Buchstaben M gekennzeichneten Modells fEntladung dreidimensionale Schnittdarstellungen abgebildet, welche den vierdimensionalen Zusammenhang fEntladung = f(U, I, T) für zwei verschiedene Temperaturen T als Ausschnitt des vierdimensionalen Modells darstellen. Das Lade- und/oder Entlademodell kann auch als Tabelle hinterlegt sein. Als Beispiel eines polynomialen Modells kann z.B. folgender quadratischer Zusammenhang verwendet werden, wobei sich die Koeffizienten k0 bis k9 per Regression aus Messdaten ermitteln lassen: fEntladung(U, I, T) = k0 + k1·U + k2·I + k3·T + k4·U^2 + k5·I^2 + k6·T^2 + k7·U·I + k8·U·T + k9·I·T
Der Einfluss der Alterung ist in den obigen Gleichungen immer als multiplikativ wirkender Faktor α angegeben, der aus einem Alterungsmodell bestimmt wird, in welches etwa das kalendarische Alter der Zelle, die bislang insgesamt durchgesetzte Ladungsmenge oder weitere Größen eingehen: α = fAlter(kalend. Alter, AhGesamtdurchsatz)
Eine andere Form der Alterungsmodellierung als über den Faktor α ist ebenso möglich, beispielsweise können die alterungsrelevanten Größen direkt in die oben angegebenen Modelle fLadung, fEntladung und AhKapazität, Momentan einbezogen werden.
Die Modellierung von fLadung oder fLadung, Rest, fEntladung und fKapazität sowie ggf. fAlter kann z.B. durch LookUp-Tabellen oder parametrische Modelle erfolgen, wie etwa polynomiale Kennlinien. Die Ermittlung der Modelle erfolgt offline durch geeignete Messkampagnen und Analyseverfahren, z.B. Regressionsanalyse.
Im Online-Einsatz kann mit diesen Modellen immer dann eine Bestimmung des Ladezustands erfolgen, wenn es sich um einen Ladevorgang handelt und der Gültigkeitsbereich des Ladungsmodells erreicht ist (Überschreitung des Spannungsschwellwertes U·Ladung), oder wenn es sich um einen Entladevorgang handelt und der Gültigkeitsbereich des Entladungsmodells erreicht ist (Unterschreitung des Spannungsschwellwertes U·Entladung). Der Ablauf ist als Flussdiagramm in 4 gegeben. Sind diese Bedingungen im laufenden Betrieb nicht erfüllt, d.h. während man sich im Spannungs-Ladezustands-Diagramm nach 1 im Spannungsbereich unterhalb bzw. oberhalb der Spannungsschwellwerte U·Ladung bzw. U·Entladung befindet, kann die Ladezustandsbestimmung mit Hilfe eines bekannten Verfahrens wie etwa Ladungszählung erfolgen. Sobald der Gültigkeitsbereich des Ladungs- oder Entladungsmodells wieder erreicht ist, kann der Ladezustand wieder über das vorgestellte Verfahren ermittelt und kalibriert werden.
Dem Flussdiagramm in 4 sind die folgenden Schritte S1 bis S8 des Verfahrens zum Bestimmen des Ladezustands einer Batterie zu entnehmen. Der erste Verfahrensschritt S1 bezeichnet den Beginn des Verfahrens. Im nächsten Verfahrensschritt S2, nach Inbetriebnahme der Batterie, d.h. während des Batteriebetriebs werden die an der Batterie anliegende Spannung U, der Ladestrom I und die Temperatur T gemessen. Im folgenden Verfahrensschritt S3 erfolgt eine Auswertung. Wenn der Ladestrom I negativ ist, d.h. eine Entladung der Batterie erfolgt, wird die gemessene Spannung U mit einem ersten Spannungsschwellwert U1s verglichen. Bei Unterschreiten dieses ersten Spannungsschwellwerts U1s wird im Verfahrensschritt S4 die Ladungsmenge (Ah1momentan) aus einem Entlademodell berechnet. Anschließend werden im Verfahrensschritt S5 die verfügbare Kapazität C und der Ladezustand berechnet.
Entsprechend wird im Verfahrensschritt S6 die gemessene Spannung U mit einem zweiten Spannungsschwellwert U2s verglichen, wenn ein positiver Ladestrom I gemessen wird, d.h. eine Ladung der Batterie erfolgt.
Dann wird im folgenden Verfahrensschritt S7 die Ladungsmenge Ah2momentan aus einem Lademodell berechnet, wenn die gemessene Spannung U oberhalb des zweiten Spannungsschwellwertes U2s liegt. Anschließend werden im Verfahrensschritt S8 die verfügbare Kapazität C und der Ladezustand berechnet. Nach Beendigung der Schritte S5 und S8 erfolgt eine erneute Messung gemäß Verfahrensschritt S2. Eine erneute Messung gemäß Verfahrensschritt S2 findet auch statt, wenn beim Entladevorgang die Spannung den Spannungsschwellwert U1s nicht unterschreitet und beim Ladevorgang die Spannung den Spannungsschwellwert U2s nicht überschreitet.
Die Erfindung umfasst vor allem folgende Punkte:

– Offline-Ermittlung der notwendigen Modelle durch folgende Schritte: • Entwurf von Messkampagnen mit gezielter Variation der Umgebungs- und Betriebsbedingungen der Batterie. • Auswertung der Messdaten und Extraktion der Zusammenhänge für die Modellierung der nutzbaren Kapazität C sowie der Ladungsmengen beim Lade- und Entladevorgang in Abhängigkeit der wesentlichen Einflussgrößen. Ermittlung oder Festlegung der Gültigkeitsbereiche für diese Modelle. • Überführung der extrahierten Messdaten in ein kompaktes nicht-parametrisches oder parametrisches Modell.
– Online-Einsatz der ermittelten Modelle: • Überprüfung der aktuellen Umgebungs- und Betriebsbedingungen der Batterie, ob Nutzung der hinterlegten Modelle möglich ist. • Bestimmung des Ladezustands der Batterie bei einem Lade- oder Entladevorgang anhand der jeweiligen Modelle.

Vorteile des Verfahrens sind:

– Nicht-invasives Verfahren, das im laufenden Betrieb einer Batterie passiv „mitlaufen“ kann und zur Ladezustandsbestimmung oder -kalibrierung im Randbereich des SoC genutzt werden kann. Keine Ruhezeiten und keine Aufprägung von Testsignalen notwendig.
– Verfahren kann ergänzend bzw. parallel zu bestehenden Methoden der SoC-Bestimmung genutzt werden.
– Die Batterie muss nicht vollständig geladen oder entladen werden, um eine SoC-Bestimmung mit diesem Verfahren zu gewährleisten.
– Durch rein datengetriebene Modellierung ist die Einsatzfähigkeit nicht auf spezielle Batterietypen beschränkt.
– Kompakte Modellierung der notwendigen Zusammenhänge ist mit wenigen Parametern durch Einsatz parametrischer Modelle, wie z.B. polynomialer Kennlinien, möglich; ein geringer Rechenzeitbedarf ermöglicht weiterhin die Realisierung auch auf Systemen mit beschränkter Leistung.

Weiterhin wird eine Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustands einer Batterie vorgeschlagen, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, die zur Durchführung des oben genannten Verfahrens eingerichtet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010050980 A1 [0003]
DE 19540827 C2 [0003]
EP 0987555 B1 [0005]
EP 1584941 B1 [0005]

Claims

Verfahren zum Bestimmen des Ladezustands einer Batterie, mit folgenden Schritten: – Messung der an der Batterie anliegenden Spannung (U) während des Batteriebetriebs, – Messung des Ladestroms (I) und der Temperatur (T), – Vergleich der gemessenen Spannung (U) mit einem ersten Spannungsschwellwert (U1s), wenn der Ladestrom (I) negativ ist, d.h. eine Entladung der Batterie erfolgt, – Berechnung der Ladungsmenge (Ah1momentan) aus einem Entlademodell, wenn die gemessene Spannung (U) unterhalb des ersten Spannungsschwellwertes (U1s) liegt und Berechnung der verfügbaren Kapazität (C) und des Ladezustands, – Vergleich der gemessenen Spannung (U) mit einem zweiten Spannungsschwellwert (U2s), wenn der Ladestrom (I) positiv ist, d.h. eine Ladung der Batterie erfolgt, – Berechnung der Ladungsmenge aus einem Lademodell, wenn die gemessene Spannung (U) oberhalb des zweiten Spannungsschwellwertes (U2s) liegt und Berechnung der verfügbaren Kapazität (C) und des Ladezustands.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Ladezustandsberechnung einfließenden alterungsabhängigen Zustandsänderungen kalendarische Alterungseffekte einschließen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Ladezustandsberechnung einfließenden alterungsabhängigen Zustandsänderungen von der durch die Batterie durchgesetzten Ladung abhängige Alterungseffekte einschließen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lade- und/oder Entlademodell als Tabelle hinterlegt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass alterungsabhängige Zustandsänderungen der Batterie mittels einer gespeicherten Tabelle in die Ladungszustandsberechnung eingehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsschwellwert (U1s, U2s) temperaturabhängig festgelegt ist.
Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustands einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1.