DE102013226925A1 - Hybrid determination of an equivalent circuit electrochemical energy storage - Google Patents
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Abstract
Es werden ein elektronisches Steuergerät, ein Fortbewegungsmittel mit einem elektronischen Steuergerät und ein Verfahren zur Ermittlung der Komponenten einer Ersatzschaltung (1) eines elektrochemischen Energiespeichers vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Schritte Ermitteln eines ersten Parameters einer ersten Komponente (R0, R1, C1) der Ersatzschaltung (1) über eine periodische Anregung des Energiespeichers mit veränderlicher Frequenz, Ermitteln eines zweiten Parameters einer zweiten Komponente (R2, C2) der Ersatzschaltung (1) über eine stufenförmige Anregung, wobei die periodische Anregung bis zu einer unteren Grenzfrequenz vorgenommen wird, und wobei die Grenzfrequenz oberhalb eines Frequenzbereiches liegt, welcher zur Ermittlung des zweiten Parameters mittels der periodischen Anregung erforderlich wäre.An electronic control unit, a means of locomotion with an electronic control unit and a method for determining the components of an equivalent circuit (1) of an electrochemical energy store are proposed. The method comprises the steps of determining a first parameter of a first component (R0, R1, C1) of the equivalent circuit (1) via a periodic excitation of the energy store with variable frequency, determining a second parameter of a second component (R2, C2) of the equivalent circuit (1 ) via a step-like excitation, wherein the periodic excitation is made up to a lower limit frequency, and wherein the cut-off frequency is above a frequency range which would be required to determine the second parameter by means of the periodic excitation.
Description
Stand der Technik State of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft die Ermittlung der Komponenten einer Ersatzschaltung eines elektrochemischen Energiespeichers sowie ein zur Ausführung des Verfahrens eingerichtetes elektronisches Steuergerät und ein Fortbewegungsmittel mit einem solchen elektronischen Steuergerät. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Möglichkeit zur verbesserten/genaueren Bestimmung der Parameter sowie Möglichkeiten der Zeitersparnis. The present invention relates to the determination of the components of an equivalent circuit of an electrochemical energy storage device and to an electronic control device configured for carrying out the method and a means of locomotion with such an electronic control device. In particular, the present invention relates to a possibility for improved / more accurate determination of the parameters and ways of saving time.
Um eine Batteriezelle zu charakterisieren, werden im Stand der Technik Ersatzschaltbilder und verschiedene Methoden zur Ermittlung ihrer Werte eingesetzt. Ein Beispiel ist die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS), ein anderes Beispiel ist die Strompulsmethode. Beide Methoden sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Jede für sich ermöglicht die Bestimmung der Werte ("Parameter") der diskreten Komponenten der Ersatzschaltbilder und haben beide ihre Stärken und Schwächen. In order to characterize a battery cell, equivalent circuits and various methods for determining their values are used in the prior art. An example is the electrochemical impedance spectroscopy (EIS), another example is the current pulse method. Both methods are basically known in the prior art. Each of them makes it possible to determine the values ("parameters") of the discrete components of the equivalent circuit diagrams and both have their strengths and weaknesses.
Wird eine Impedanzmessung (IM) beispielsweise an einer Lithium-Ionen-Batteriezelle (LIB) durchgeführt, kann durch die Zerlegung der Impedanz ein Real- und ein Imaginärteil für eine jede gemessene Frequenz bestimmt werden. In der Regel werden die gesammelten Daten als Nyquist-Plot (NYP) dargestellt. In diesem wird der Imaginärteil des Widerstandes gegen den Realteil aufgetragen. Jeder einzelne Wert stellt eine bestimmte Messfrequenz dar. Aus der Nyquist-Darstellung lassen sich verschiedene ESB ableiten. In
Eine weitere Methode, um ein ESB herzuleiten, besteht darin, eine Pulsmessung durchzuführen. Dabei wird die Batteriezelle mit einem definierten Strompuls belastet. Nach Erreichen eines definierten Ladezustandes wird der Strompuls abgeschaltet und der resultierende Spannungsverlauf an den Klemmen der Batteriezelle aufgezeichnet. Aus dieser Methode lassen sich ebenfalls die oben genannten Größen bestimmen. Sowohl die Pulsmessung als auch die IM haben Vorteile und Nachteile. Der Ohm'sche Widerstand R0 und das erste RC-Glied lassen sich sehr leicht und schnell aus den Impedanzdaten ableiten, während das zweite RC-Glied eine lange Messdauer erfordert. Letzteres liegt daran, dass sehr niedrige Frequenzen Erforderlich sind und das Ergebnis durch die entsprechend lange Messung verzögert zur Verfügung steht. Durch die Pulsmessung lässt sich wiederum das zweite RC-Glied schnell und genau bestimmen, während der Ohm'sche Widerstand R0 und das erste RC-Glied ungenau ermittelt wird. Another method to derive an ESB is to perform a pulse measurement. The battery cell is charged with a defined current pulse. After reaching a defined state of charge, the current pulse is switched off and recorded the resulting voltage waveform at the terminals of the battery cell. From this method can also determine the above sizes. Both the pulse measurement and the IM have advantages and disadvantages. The ohmic resistance R0 and the first RC element can be derived very easily and quickly from the impedance data, while the second RC element requires a long measurement time. The latter is because very low frequencies are required and the result is delayed by the correspondingly long measurement available. By the pulse measurement, in turn, the second RC element can be determined quickly and accurately, while the ohmic resistance R0 and the first RC element is determined inaccurately.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine technische Realisierung zur schnellen und genauen Ermittlung der Parameter eines Ersatzschaltbildes für einen elektrochemischen Speicher bereitzustellen. It is therefore an object of the present invention to provide a technical realization for the rapid and accurate determination of the parameters of an equivalent circuit diagram for an electrochemical storage.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch ein elektronisches Steuergerät mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und ein Fortbewegungsmittel mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst hierzu die folgenden Schritte: Zunächst wird ein erster Parameter einer ersten Komponente der Ersatzschaltung über eine periodische Anregung des Energiespeichers mit veränderlicher Frequenz ermittelt. Ein solches Verfahren ist im Stand der Technik grundsätzlich als Impedanzspektroskopie (EIS) bekannt. Als erste Komponente kommen beispielsweise ein Ohm‘scher Widerstand, eine Induktivität und/oder ein Ohm‘scher Widerstand in Parallelschaltung mit einer Kapazität in Frage. Der erste Parameter dieser Komponente kann entsprechend ein Ohm‘scher Widerstandswert, ein Kapazitätswert, eine zugeordnete Impedanz oder Ähnliches sein. Generell dient der erste Parameter der Charakterisierung und technischen Bestimmung zur Dimensionierung der ersten Komponente. In einem zweiten Schritt wird ein zweiter Parameter einer zweiten Komponente der Ersatzschaltung über eine stufenförmige elektrische Anregung ermittelt. Für den zweiten Parameter und die zweite Komponente gilt das in Verbindung mit dem ersten Parameter und der ersten Komponente Gesagte entsprechend. Die stufenförmige elektrische Anregung begründet einen zeitweiligen Belastungszustand des elektrochemischen Energiespeichers mit einer vordefinierten Größe. Auch kann die stufenförmige Anregung zwischen unterschiedlichen vordefinierten Ladezuständen (engl. "State of Charge", SOC) mit beispielsweise im Wesentlichen konstanter Belastung stattfinden. Da die stufenförmige elektrische Anregung im Nachgang zurückgenommen wird, kann auch von einer im Wesentlichen rechteckförmigen Anregung bzw. Belastung gesprochen werden. Erfindungsgemäß wird die periodische Anregung bis zu einer unteren Grenzfrequenz der veränderlichen Frequenz vorgenommen. Auf diese Weise werden Frequenzbereiche ausgespart, welche eine besonders zeitaufwändige Messung begründen würden. Die Grenzfrequenz liegt oberhalb eines solchen Frequenzbereiches, welcher zur Ermittlung des zweiten Parameters (erfindungsgemäß durch die stufenförmige elektrische Anregung ermittelt) mittels der periodischen Anregung erforderlich wäre. Mit anderen Worten wird der zweite Parameter erfindungsgemäß nicht über die periodische Anregung, sondern über die stufenförmige Anregung ermittelt. Auf diese Weise wird Zeit gespart, welche zur Erhöhung der Messgenauigkeit investiert werden kann. Im Ergebnis ergibt sich eine besonders exakte und schnelle Methode, um mit automatisierten technischen Abläufen die Parameter für Ersatzschaltbilder elektrochemischer Energiespeicher zu bestimmen. The above object is achieved by a method with the features of
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. The dependent claims show preferred developments of the invention.
Während die erfindungsgemäß verwendeten Verfahren grundsätzlich auch überlappend verwendet werden können, liegt die der Zeitersparnis zugrunde liegende Idee darin, dass der erste Parameter ausschließlich aufgrund der periodischen Anregung bis zu der unteren Grenzfrequenz ermittelt wird. Bevorzugt kann der zweite Parameter entsprechend ausschließlich durch die stufenförmige elektrische Anregung ermittelt werden. Die Anregungsgröße ist bevorzugt ein Strom, der als Lade- und/oder Entladestrom ausgebildet sein kann. Ebenso ist es möglich, eine elektrische Spannung als Anregung für das erfindungsgemäße Verfahren zu verwenden. While the methods used according to the invention can in principle also be used overlapping, the idea underlying the time saving lies in the fact that the first parameter is determined exclusively on the basis of the periodic excitation up to the lower limit frequency. Preferably, the second parameter can be determined according exclusively by the step-shaped electrical excitation. The excitation variable is preferably a current which can be designed as a charging and / or discharging current. It is also possible to use an electrical voltage as an excitation for the method according to the invention.
Weiter bevorzugt kann die erste Komponente eine erste Parallelschaltung aus einem ersten Ohm‘schen Widerstand und einer ersten Kapazität umfassen. Insbesondere kann auch ein in Reihe zur ersten Parallelschaltung angeordneter weiterer Ohm‘scher Widerstand vorgesehen sein. Der komplexe Widerstand der ersten Komponente bzw. die konkreten Impedanzen ihrer elektrischen Bauteile lassen sich erfindungsgemäß durch die periodische Anregung mit veränderlicher Frequenz schnell und genau bestimmen. More preferably, the first component may comprise a first parallel connection of a first ohmic resistor and a first capacitor. In particular, a further ohmic resistor arranged in series with the first parallel circuit can also be provided. The complex resistance of the first component or the concrete impedances of its electrical components can be inventively determined by the periodic excitation with variable frequency quickly and accurately.
Entsprechend kann die zweite Komponente eine zweite Parallelschaltung aus einem zweiten Ohm‘schen Widerstand und einer zweiten Kapazität umfassen. Die zweite Komponente kann auch eine dritte Parallelschaltung aus einem dritten Ohm‘schen Widerstand und einer dritten Kapazität umfassen, wobei die dritte Parallelschaltung in Reihe zur zweiten Parallelschaltung angeordnet ist. Für die zweite Komponente und die in ihr enthaltenen diskreten elektrischen Bauteile gilt das in Verbindung mit der ersten Komponente zuvor Ausgeführte entsprechend, mit dem Unterschied, dass die erfindungsgemäße stufenförmige elektrische Anregung zum Einsatz kommt, um eine exakte und zeitsparende Bestimmung zu ermöglichen. Accordingly, the second component may comprise a second parallel connection of a second ohmic resistor and a second capacitor. The second component may also comprise a third parallel circuit of a third ohmic resistor and a third capacitor, the third parallel circuit being arranged in series with the second parallel circuit. For the second component and the discrete electrical components contained in it, the same applies in connection with the first component above, with the difference that the step-shaped electrical excitation according to the invention is used in order to enable an exact and time-saving determination.
Die stufenförmige elektrische Anregung kann beispielsweise eine vorübergehende Beaufschlagung mit einem positiven Strom ("Ladestrom") oder eine vorübergehende Beaufschlagung mit einem negativen Strom ("Entladestrom") umfassen. Die Beaufschlagung kann mehrere Sekunden, einzelne Minuten oder eine noch längere Zeit (z.B. 10 min.) andauern. Für den Fachmann ist die Wahl der Zeitdauer für die stufenförmige elektrische Anregung in Abhängigkeit eines konkreten elektrochemischen Energiespeichers bzw. konkreter zusätzlicher Umstände lediglich eine fachliche Übung. The step-shaped electrical excitation may comprise, for example, a temporary application of a positive current ("charging current") or a temporary application of a negative current ("discharging current"). The loading may last several seconds, a few minutes, or an even longer time (e.g., 10 minutes). For a person skilled in the art, the choice of the duration of the step-shaped electrical excitation as a function of a specific electrochemical energy store or concrete additional circumstances is merely a technical exercise.
Die periodische elektrische Anregung hingegen kann beispielsweise mit einem sinusförmigen Signal, mehreren sinusförmigen Signalen oder solchen Signalen erfolgen, welche sinusförmige Signale enthalten. Insbesondere kann ein sogenannter frequenzveränderlicher sinusförmiger Verlauf ("Sinus Sweep") verwendet werden, der eine im Wesentlichen kontinuierliche Frequenzveränderung des elektrischen Signals über der Zeit aufweist. Auf diese Weise lässt sich der Verlauf im NYP besonders gut messtechnisch vorbereiten. By contrast, the periodic electrical excitation can be carried out, for example, with a sinusoidal signal, a plurality of sinusoidal signals or signals containing sinusoidal signals. In particular, a so-called sinusoidal sweep, which has a substantially continuous frequency change of the electrical signal over time, can be used. In this way, the course in the NYP can be particularly well prepared metrologically.
Die für die periodische Anregung erfindungsgemäß zum Einsatz kommende Grenzfrequenz ist von der Kapazität sowie von der verwendeten Speichertechnologie des elektrochemischen Energiespeichers abhängig und kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 0,01 Hz und 5 Hz, insbesondere zwischen 0,1 Hz und 2 Hz, bevorzugt zwischen 0,5 Hz und 1 Hz, liegen. Auf diese Weise ergibt sich eine geeignete Synthese der Ergebnisse der erfindungsgemäß zum Einsatz kommenden Anregungsergebnisse. Mit anderen Worten wird die Ergebnisqualität bei geringstmöglicher Zeitdauer maximiert. The limit frequency used according to the invention for the periodic excitation is based on the capacitance as well as on the used storage technology of the electrochemical Energy storage dependent and, for example, in a range between 0.01 Hz and 5 Hz, in particular between 0.1 Hz and 2 Hz, preferably between 0.5 Hz and 1 Hz. This results in a suitable synthesis of the results of the excitation results used according to the invention. In other words, the quality of the result is maximized with the least amount of time possible.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektronisches Steuergerät vorgeschlagen, welches als im Stand der Technik bekanntes "Batterie-Management-System" (BMS) ausgestaltet sein kann. Diese elektronischen Steuergeräte kommen insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, im automobilen Einsatz vor. Dem Fachmann sind weitere Einsatzgebiete bekannt, auf welche sich der Anwendungs- und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ebenfalls erstreckt. Das elektronische Steuergerät weist elektrische Anschlüsse zum Anschließen eines elektrochemischen Energiespeichers bzw. eines einen solchen umfassenden Bordnetzes auf. Weiter weist das elektronische Steuergerät eine Auswerteeinheit auf, welche eingerichtet ist, ein Verfahren durchzuführen, wie es in Verbindung mit dem erstgenannten erfindungsgemäßen Aspekt oben im Detail beschrieben wurde. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise einen Prozessor (Mikrocontroller, Nanocontroller o.Ä.) umfassen. Sie kann mit Speichermitteln verbunden sein, welche Instruktionen beinhalten, aufgrund welcher der Prozessor die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte ausführen kann. Die Merkmale, Merkmalskombinationen sowie die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen den in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt beschriebenen derart ersichtlich, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird. According to a second aspect of the present invention, an electronic control unit is proposed, which may be configured as known in the art "Battery Management System" (BMS). These electronic control units are especially, but not exclusively, used in automotive applications. The person skilled in the art is familiar with further fields of application to which the scope of application and protection of the present invention likewise extends. The electronic control unit has electrical connections for connecting an electrochemical energy store or such a comprehensive on-board network. Furthermore, the electronic control unit has an evaluation unit which is set up to carry out a method as has been described in detail above in connection with the first aspect of the invention. The evaluation unit may comprise, for example, a processor (microcontroller, nanocontroller or the like). It can be connected to memory means which contain instructions on the basis of which the processor can carry out the method steps according to the invention. The features, combinations of features as well as the advantages resulting therefrom correspond to those described in connection with the first-mentioned aspect of the invention such that, in order to avoid repetition, reference is made to the above statements.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fortbewegungsmittel vorgeschlagen, welches beispielsweise ein elektrisch antreibbares Fahrzeug sein kann. Das Fortbewegungsmittel weist einen Energiespeicher auf, der beispielsweise als elektrochemischer Energiespeicher ausgestaltet sein kann. Zusätzlich weist das Fortbewegungsmittel ein elektronisches Steuergerät auf, wie es in Verbindung mit dem zweitgenannten Erfindungsaspekt oben beschrieben worden ist. Auch zu den Merkmalen, Merkmalskombinationen und den sich aus diesen ergebenden Vorteilen wird auf den zweitgenannten Erfindungsaspekt verwiesen, um Wiederholungen zu vermeiden. According to a third aspect of the present invention, a means of transportation is proposed, which may be, for example, an electrically drivable vehicle. The means of locomotion has an energy store, which can be configured, for example, as an electrochemical energy store. In addition, the means of locomotion comprises an electronic control unit, as described in connection with the second aspect of the invention above. Reference is also made to the second aspect of the invention to the features, feature combinations and the advantages resulting therefrom in order to avoid repetition.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist: Hereinafter, embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings:
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
R0 = rein Ohm‘scher Anteil
R1C1 = Rein Ohm‘scher Anteil parallel zu kapazitiven Anteil.
R2C2 = Rein Ohm‘scher Anteil parallel zu kapazitiven Anteil.
Kapazität C1 < C2 daraus folgt
Zeitkonstante RC1 < RC2 daraus folgt
RC1 entspricht einer schnell reagierenden Schaltung (relativ gesehen)
RC2 entspricht einer langsam reagierenden Schaltung (relativ gesehen)
R0 = pure ohmic component
R1C1 = pure ohmic component parallel to capacitive component.
R2C2 = pure ohmic component parallel to capacitive component.
Capacity C1 <C2 follows from this
Time constant RC1 <RC2 follows from this
RC1 corresponds to a fast-reacting circuit (relatively speaking)
RC2 corresponds to a slow-reacting circuit (relatively speaking)
Eine fehlerhafte Kontaktierung wird sich also entsprechend auf RE auswirken. Der Ohm’sche Anteil wird größer damit R0 und schließlich auch RE. A faulty contact will therefore affect RE accordingly. The ohmic part becomes larger so that R0 and finally also RE.
Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird. Although the aspects and advantageous embodiments of the invention have been described in detail with reference to the embodiments explained in connection with the accompanying drawings, modifications and combinations of features of the illustrated embodiments are possible for the skilled person, without departing from the scope of the present invention, the scope of protection the appended claims are defined.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Ersatzschaltung equivalent circuit
- 2 2
- Energiespeicher energy storage
- 3 3
- Elektronisches Steuergerät Electronic control unit
- 4 4
- Auswerteeinheit evaluation
- 5 5
- Strom electricity
- 6 6
- Klemmenspannung terminal voltage
- 7 7
-
Einbruch der Klemmenspannung
6 Burglary of theterminal voltage 6 - 8a 8a
-
Strompuls des negativen Stromes
5 Current pulse of the negative current5 - 8b 8b
-
Strompuls des positiven Stromes
5 Current pulse of the positive current5 - 10 10
- Nyquist-Plot, NYP Nyquist-Plot, NYP
- 20 20
- Pkw car
- 100, 200100, 200
- Verfahrensschritte steps
- A, B, CA, B, C
- Zusammenhänge zwischen Teilgraphen und elektrischen Komponenten Relationships between subgraphs and electrical components
- C1, C2 C1, C2
- Erste/zweite Kapazität First / second capacity
- I I
- Strom electricity
- p p
- Zeit Time
- R0, R1, R2, RER0, R1, R2, RE
- Ohm‘sche Widerstände Ohmic resistance
- τ τ
- Zeitkonstante time constant
- U U
- Spannung tension
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102007061122 A1 [0003] DE 102007061122 A1 [0003]
- US 6687631 B2 [0004] US 6687631 B2 [0004]
- EP 1590679 B1 [0005] EP 1590679 B1 [0005]
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