DE102014215769A1

DE102014215769A1 - Verfahren zum Bestimmen einer widerstandsbezogenen Größe einer Batteriezelle

Info

Publication number: DE102014215769A1
Application number: DE102014215769.2A
Authority: DE
Inventors: Olivier Cois
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-08-08
Filing date: 2014-08-08
Publication date: 2016-02-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen zumindest einer widerstandsbezogenen Größe einer Batteriezelle, wobei der Batteriezelle ein Modell zugrunde gelegt ist, welches einen ersten Ohm’schen Widerstand und ein in Reihe zu dem ersten Ohm’schen Widerstand geschaltetes RC-Glied mit einem zweiten Ohm’schen Widerstand und einem Kondensator aufweist, wobei das Modell als widerstandsbezogene Größen der Batteriezelle die Größe des ersten Ohm’schen Widerstands und die Größe des zweiten Ohm’schen Widerstands ausweist. Dabei ist vorgesehen, dass eine spannungsbezogene Messgröße und eine Zellstromstärke mittels eines Bandpassfilters (32, 34) oder mittels eines Hochpassfilters zum Erhalt einer gefilterten spannungsbezogenen Messgröße und einer gefilterten Zellstromstärke gefiltert werden, ein Verhältnis aus der gefilterten spannungsbezogenen Messgröße und der gefilterten Zellstromstärke zum Erhalt einer Verhältnisgröße berechnet wird und die Verhältnisgröße mittels eines Tiefpassfilters (38) zum Erhalt der Größe des ersten Ohm’schen Widerstands oder der Größe des zweiten Ohm’schen Widerstands gefiltert wird. Weiterhin werden ein Verfahren zur Batteriezellüberwachung, ein Computerprogramm, eine Zellüberwachungsschaltung (26), eine Batterie und ein Kraftfahrzeug offenbart.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen zumindest einer widerstandsbezogenen Größe einer Batteriezelle, wobei der Batteriezelle ein Modell zugrunde gelegt ist, welches einen ersten Ohm’schen Widerstand und ein in Reihe zu dem ersten Ohm’schen Widerstand geschaltetes RC-Glied mit einem zweiten Ohm’schen Widerstand und einem Kondensator aufweist, wobei das Modell als widerstandsbezogene Größe der Batteriezelle die Größe des ersten Ohm’schen Widerstands und die Größe des zweiten Ohm’schen Widerstands ausweist.
Weiterhin werden ein Verfahren zur Batteriezellüberwachung, ein Computerprogramm, eine Zellüberwachungsschaltung, eine Batterie und ein Kraftfahrzeug offenbart.
Die elektrische Widerstandsüberwachung von in Kraftfahrzeugen verbauten Batteriepacks ist nützlich, um den Fahrer vor kritischen Situationen zu bewahren. Eine ungewöhnliche Widerstandszunahme oder Widerstandsabnahme kann eine Beeinträchtigung der Sicherheit zur Folge haben. Die elektrische Widerstandsüberwachung ist außerdem nützlich, um eine Fahrstrategie des Fahrzeugs, insbesondere an eine verfügbare Leistung der Batterie anzupassen.
Ein bekanntes Batteriezellenmodell ist in 1 dargestellt. Es besteht aus einer Spannungsquelle, die in Reihe mit einem 2-Elemente-Impedanzmodell geschaltet ist.
Das dargestellte Ersatzschaltbild (ECM, Equivalent Circuit Model), im Folgenden kurz als „Modell“ bezeichnet, modelliert das elektrische und chemische Verhalten einer Batteriezelle:

– R0 ist ein reiner Ohm’scher Widerstand, der die elektrischen Widerstände von elektrischen Verbindungen wie zum Beispiel Zellverbinder, interner Sicherung, Schweißverbindungen von Stromabnehmern und chemischer Effekte wie Elektrolytleitfähigkeit (den so genannten algebraischen Effekten) einschließt,
– der R/C-Filter zeigt beispielsweise die (Doppel-)Schicht-kapazitiven Effekte.

Ein Batteriepack kann ganz unterschiedlich gekennzeichnet sein:

– durch einen Satz von Widerstandswerten bei festgelegten Frequenzen,
– durch einen Satz von Widerstandswerten zu festgelegten Zeiten bei Annahme einer Strombelastung mit konstanten Zeitschritten (constant step current load) oder
– durch einen Satz von Widerstandswerten eines Modells.

Bei linearem Verhalten sind diese drei Arten der Kennzeichnung gleichwertig.
Die Frequenzdarstellung ist von besonderem Interesse, um die Frequenzbereiche für das jeweilige Verhalten zu identifizieren, siehe hierzu zum Bespiel 3, 4A und 4B. Im Falle von Lithium-Ionen-Zellen gilt:

– Induktive Effekte treten bei hohen Frequenzen > 10³ rad/s auf.
– Rein resistive Effekte treten in einem Frequenzbereich von zwischen 1 rad/s und 10³ rad/s auf.
– Kapazitive Effekte treten in einem Frequenzbereich von zwischen 10^–2 rad/s und 1 rad/s auf.
– Diffusive Effekte treten bei niedrigen Frequenzen < 10^–2 rad/s auf.

Stand der Technik
1. Online U/l-Verfahren
Ein bekanntes Verfahren zur Online-Messung und Online-Überwachung eines Batterie- /Zellwiderstands ist, das Verhältnis R = U(t) – U(t – Δt) / I(t) – I(t – Δt) zu berechnen, wobei Δt die Abtastfrequenz ist. Bei einer Abtastrate schneller als 10 rad/s entspricht der geschätzte Widerstand einem „Hochfrequenz“-Impedanzwert oder Kurzzeitwiderstand oder andernfalls dem reinen Serienwiderstand R₀ des Modells.
Nachteil:

a. Störsignale (Rauschen, Ripples, Aliasing-Effekte ...), wie sie häufig in der Automobilindustrie anzutreffen sind, bringen erhebliche Verzerrungen mit sich und vermindern die Qualität des geschätzten Signals.
b. Das Einschätzen des Kurzzeitwiderstands alleine ist nicht aufschlussreich genug, um eine effiziente Diagnose zu erstellen. Der Alterungseffekt lässt sich nicht von einem Effekt einer schadhaften Verbindung unterscheiden.

2. Fortschrittliche Parameter-Schätzverfahren
Andere Verfahren basieren auf der Online-Schätzung von Modell-Parametern, zum Beispiel Kalman-Filter, rekursive lineare bzw. nicht-lineare Kleinste-Quadrate- oder erweiterte Ermittlungsverfahren.
Diese Verfahren sind effektiv und beseitigen die Nachteile des U/l-Verfahrens, aber

a. die Ausführung eines kompletten Batteriepacks, das etwa 100 Batteriezellen umfasst, erfordert leistungsstarke Hardware- und Softwaresysteme, was die Kosten der Batterien drastisch erhöht;
b. die Kalibrierung solcher Algorithmen erfordert hohe Sachkenntnis über fortschrittliche Schätzverfahren. Falsch kalibrierte Algorithmen sind oftmals nicht bestandsfähig und können zu unzuverlässigen Ergebnissen führen.

Aus US 2008/005484 und US 2007/0035307 sind Verfahren zum Bestimmen von widerstandsbezogenen Größen einer Batteriezelle bekannt, wobei der Batteriezelle ein Modell zugrunde gelegt wird, welche rekursive lineare Kleinste-Quadrate-Methoden verwenden.
Aus WO 2011/057846 beispielsweise ist ein konventioneller Zustandsobservierer bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zumindest eine widerstandsbezogenen Größe einer Batteriezelle bestimmt, wobei der Batteriezelle ein Modell zugrunde gelegt ist, welches einen ersten Ohm’schen Widerstand und ein in Reihe zu dem ersten Ohm’schen Widerstand geschaltetes RC-Glied mit einem zweiten Ohm’schen Widerstand und einem Kondensator aufweist, wobei das Modell als widerstandsbezogene Größen der Batteriezelle die Größe des ersten Ohm’schen Widerstands und die Größe des zweiten Ohm’schen Widerstands ausweist. Dabei ist vorgesehen, dass eine spannungsbezogene Messgröße und eine Zellstromstärke mittels eines Bandpassfilters oder mittels eines Hochpassfilters zum Erhalt einer gefilterten spannungsbezogenen Messgröße und einer gefilterten Zellstromstärke gefiltert werden, ein Verhältnis aus der gefilterten spannungsbezogenen Messgröße und der gefilterten Zellstromstärke zum Erhalt einer Verhältnisgröße berechnet wird und die Verhältnisgröße mittels eines Tiefpassfilters zum Erhalt der Größe des ersten Ohm’schen Widerstands und der Größe des zweiten Ohm’schen Widerstands gefiltert wird.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Methode bereit, einen Kurzzeitwiderstand der Batteriezelle (short term resistance) zu ermitteln, welcher der Größe des ersten Ohm’schen Widerstands entspricht, und auch einen mittelfristigen Widerstand der Batteriezelle (midterm resistance) zu ermitteln, welcher der Größe des zweiten Ohm’schen Widerstands entspricht.
Der bereitgestellte Algorithmus verbraucht keine Soft- und Hardware-Resourcen. Die Kalibrierung ist leicht und erfordert keine große Sachkenntnis.
Durch Einschätzung des Kurzzeit- und mittelfristigen Widerstands lassen sich die chemischen Alterungseffekte von den elektrischen Verbindungsproblemen vollständig unterscheiden und analysieren.
Für den Fall, dass im Schritt c) die Größe des ersten Ohm’schen Widerstands bestimmt wird, ist die spannungsbezogene Messgröße im Schritt a) eine Zellspannung. Dem Verfahren liegen dabei die folgenden Gleichungen zugrunde: R0 = U_R0/I_R0 U_R0 = U_cell – (OCV + U_R1) I_R0 = I_cell = I_pack
Die in Klammern gesetzte Größe OCV + U_R1 wird durch den Bandpassfilter oder Hochpassfilter im Schritt a) herausgefiltert.
Für den Fall, dass in Schritt c) die Größe des zweiten Ohm’schen Widerstands bestimmt wird, ist die spannungsbezogene Messgröße im Schritt a) eine Differenz aus einer Zellspannung, einer offenen Klemmenspannung und einer Spannung über dem ersten Ohm’schen Widerstand. Dem Verfahren liegen dabei die folgenden Gleichungen zugrunde:
Die in Klammern gesetzte Größe OCV wird durch den Bandpassfilter oder Hochpassfilter im Schritt a) herausgefiltert.
Bevorzugt wird die Spannung über dem ersten Ohm’schen Widerstand, in der Gleichung als U_R0 bezeichnet, als Produkt des Zellstroms mit der Größe des ersten Ohm’schen Widerstands bestimmt. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Größe des ersten Ohm’schen Widerstands ebenfalls gemäß einem der hierin beschriebenen Verfahren bestimmt wird.
Vorteilhaft wird der Bandpassfilter oder der Hochpassfilter in allen Fällen so gestaltet, dass Beiträge nicht separat bestimmbarer Signale vernachlässigbar klein werden.
Für den Fall, dass im Schritt c) die Größe des ersten Ohm’schen Widerstands bestimmt wird, wird im Schritt a) ein Bandpassfilter mit einer Mittenfrequenz verwendet, die höher ist als eine höchste Cutoff-Frequenz einer Impedanz des EMC-Modells, oder ein Hochpassfilter mit einer Grenzfrequenz, die höher ist als die höchste Cutoff-Frequenz der Impedanz des EMC-Modells.
Im Falle von Zellen, die in Elektro- oder Hybridfahrzeugen (EV, PHEV) verwendet werden, insbesondere beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, könnte zum Beispiel die höchste Cutoff-Frequenz der Impedanz des EMC-Modells als 1 rad/s angenommen werden.
Der Bandpassfilter kann dabei als ein sogenannter Poisson-Filter ausgebildet sein, mit einer Filterfunktion
wobei ω_f die Mittenfrequenz des Bandpassfilters definiert, welche auch als Resonanzfrequenz bezeichnet sein kann.
Für R0 sind nicht gemessene Signale die stabile OCV und die Niedrigfrequenzspannung U_R1. Der Effekt dieser Signale kann mittels einer Hochpass-filternden Bandpassfrequenz ω_f gefiltert werden, die höher als die höchste Cutoff-Frequenz der Modell-Impedanz gewählt wird (siehe 6A).
Für den Fall, dass im Schritt c) die Größe des zweiten Ohm’schen Widerstands bestimmt wird, wird im Schritt a) ein Bandpassfilter mit einer unteren Grenzfrequenz verwendet, die niedriger ist als eine niedrigste Cutoff-Frequenz einer Impedanz des EMC-Modells oder ein Hochpassfilter mit einer Grenzfrequenz, die niedriger ist als die niedrigste Cutoff-Frequenz der Impedanz des EMC-Modells.
Im Falle von Zellen, die in Elektro- oder Hybridfahrzeugen (EV, PHEV) verwendet werden, insbesondere beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, könnte zum Beispiel die niedrigste Cutoff-Frequenz der Impedanz des EMC-Modells als 10^–2 rad/s angenommen werden.
Der Bandpassfilter kann dabei in bekannter Weise definiert sein durch
wobei ω_f1 die untere Grenzfrequenz des Bandpassfilters und ω_f2 die obere Grenzfrequenz des Bandpassfilters definieren.
Für R1 ist das nicht gemessene Signal die stabile OCV. Der Effekt kann mittels einer Hochpass-filternden Niedrigfrequenz ω_f1 gefiltert werden, die keiner als die kleinste Cutoff-Frequenz der Modell-Impedanz gewählt wird (siehe 6B).
Die Grenzfrequenz des im Schritt c) verwendeten Tiefpassfilters ist bevorzugt derart bestimmt, dass ein Signalrauschen, Aliasing-Effekte und induktive Effekte unterdrückt sind. Insbesondere kann die Grenzfrequenz des im Schritt c) verwendeten Tiefpassfilters in einem Kalibrierungsschritt mittels einer bekannten Step-Response-Messung festgelegt werden, was eine Offline-Kalibrierung ermöglicht. Beispielsweise kann die Grenzfrequenz bei 0,05 rad/s liegen, was einer Zeitkonstanten von 20 s entspricht.
Bei der Berechnung der Verhältnisgröße im Schritt b) wird bevorzugt eine Schwellenwertbedingung für die gefilterte Zellstromstärke angewendet, wobei gefilterte Zellstromstärken, welche unterhalb der Schwellenwerts liegen, als Messwerte verworfen werden. Hierbei werden numerische Probleme bei der Division durch Null vermieden. Der Schwellenwert für die gefilterte Zellstromstärke kann beispielsweise festgelegt sein als 15 A.
Nach einem weiteren Aspekt wird bei einem Verfahren zur Batteriezellenüberwachung zumindest eine der Größen des ersten Ohm’schen Widerstands und des zweiten Ohm’schen Widerstands nach einem der beschriebenen Verfahren bestimmt und ein Verhältnis der Größe des ersten Ohm’schen Widerstands zur Größe des zweiten Ohm’schen Widerstands überwacht. Aus den Informationen über die Größe des ersten Ohm’schen Widerstands, die Größe des zweiten Ohm’schen Widerstands und des Verhältnisses dieser Größen zueinander kann eine vollständige Batteriediagnose abgeleitet werden, welche chemische Alterungseffekte und elektrische Alterungseffekte unterscheidet. Ein Beispiel für eine Diagnose ist in der folgenden Tabelle angegeben:
Bei einer normalen Zellalterung steigen sowohl R0 als auch R1, wobei deren Verhältnis konstant bleibt.
Bei einem Anstieg des Zellverbindungswiderstands, zum Beispiel der externen Verbindung, internen Sicherung, oder Stromabnehmer, steigt R0, wohingegen R1 konstant bleibt. Das Verhältnis R1/R0 sinkt.
Bei einem Zelltemperaturanstieg aufgrund des Anstiegs der internen Verbindung, zum Beispiel der Sicherung oder der Stromabnehmer steigt R0 und R1 sinkt, wobei deren Verhältnis R1/R0 stark sinkt.
Bei einem Temperaturanstieg aufgrund einer externen Wärmestromquelle, beispielsweise von Nachbarzellen, sinken sowohl R0 als auch R1, wobei deren Verhältnis konstant bleibt.
Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Computerprogramm vorgeschlagen, gemäß dem eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird, wenn das Computerprogramm auf einer programmierbaren Computereinrichtung ausgeführt wird. Bei dem Computerprogramm kann es sich beispielsweise um ein Modul zur Implementierung eines Batteriemanagementsystems oder eines Subsystems hiervon in einem Kraftfahrzeug handeln. Das Computerprogramm kann auf einem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert sein, etwa auf einem permanenten oder wieder beschreibbaren Speichermedium, oder in Zuordnung zu einer Computereinrichtung oder auf einer entfernbaren CD-ROM, DVD, einer Blu-ray-Disc oder einem USB-Stick. Zusätzlich oder alternativ kann das Computerprogramm auf einer Computereinrichtung wie etwa auf einem Server oder auf einem Cloud-System zum Herunterladen bereitgestellt werden, z.B. über ein Datennetzwerk, wie das Internet, oder eine Kommunikationsverbindung, wie etwa eine Telefonleitung oder eine drahtlose Verbindung.
Erfindungsgemäß ist außerdem eine Zellüberwachungsschaltung zum Bestimmen zumindest einer widerstandsbezogenen Größe einer Batteriezelle vorgesehen, wobei der Batteriezelle ein Modell zugrunde gelegt ist, welches einen ersten Ohm’schen Widerstand und ein in Reihe zu dem ersten Ohm’schen Widerstand geschaltetes RC-Glied mit einem zweiten Ohm’schen Widerstand und einem Kondensator aufweist, wobei das Modell als widerstandsbezogene Größe der Batteriezelle die Größe des ersten Ohm’schen Widerstands und die Größe des zweiten Ohm’schen Widerstands ausweist, mit

a) Stromstärke- und Spannungsmesseinrichtungen, welche eine Zellspannung und eine Zellstromstärke ermitteln,
b) zumindest einem Hochpassfilter oder Bandpassfilter, welche eine spannungsbezogene Messgröße und die Zellstromstärke zum Erhalt einer gefilterten spannungsbezogenen Messgröße und einer gefilterten Zellstromstärke filtern,
c) einer Recheneinheit, welche eingerichtet ist, ein Verhältnis aus der gefilterten spannungsbezogenen Messgröße zu der gefilterten Zellstromstärke zum Erhalt einer Verhältnisgröße zu berechnen und
d) einem Tiefpassfilter, welcher die Verhältnisgröße zum Erhalt der Größe des ersten Ohm’schen Widerstands oder der Größe des zweiten Ohm’schen Widerstands filtert.

Nach einem weiteren Aspekt umfasst eine Batterie ein Batteriemanagementsystem, welches eine derartige Zellüberwachungsschaltung aufweist und/oder welches eingerichtet ist, eines der beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Bevorzugt ist das Batteriemanagementsystem zur Durchführung der hierin beschriebenen Verfahren ausgebildet und/oder eingerichtet. Dementsprechend gelten im Rahmen des Verfahrens beschriebene Merkmale entsprechend für das Batteriemanagementsystem und umgekehrt die im Rahmen des Batteriemanagementsystems beschriebenen Merkmale entsprechend für die Verfahren.
Die Einheiten des Batteriemanagementsystems sind als funktionale Einheiten zu verstehen, die nicht notwendigerweise physikalisch voneinander getrennt sind. So können mehrere Einheiten des Batteriemanagementsystems in einer einzigen physikalischen Einheit realisiert sein, etwa wenn mehrere Funktionen in Software auf einem Steuergerät implementiert sind. Die Einheiten des Batteriemanagementsystems können auch in Hardware-Bausteinen implementiert sein, beispielsweise durch Sensoreinheiten, Speichereinheiten und anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (z. B. ASICs, Application Specific Circuit).
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Batteriesystem mit einer Batterie, welche mehrere Batteriezellen umfasst, und einem derartigen Batteriemanagementsystem bereitgestellt. Die Batterie kann insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie oder eine Nickel-Metallhydrid-Batterie sein, und mit einem Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs verbindbar sein.
Die Begriffe "Batterie" und "Batterieeinheit" werden in der vorliegenden Beschreibung dem üblichen Sprachgebrauch angepasst für Akkumulator bzw. Akkumulatoreinheit verwendet. Die Batterie umfasst eine oder mehrere Batterieeinheiten, womit eine Batteriezelle, ein Batteriemodul, einen Modulstrang oder ein Batteriepack bezeichnet sein kann. In der Batterie sind die Batteriezellen vorzugsweise räumlich zusammengefasst und schaltungstechnisch miteinander verbunden, beispielsweise seriell oder parallel zu Modulen verschaltet. Mehrere Module können sogenannte Batteriedirektkonverter (BDC, Battery Direct Converter) bilden, und mehrere Batteriedirektkonverter einen Batteriedirektinverter (BDI, Battery Direct Inverter).
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Batteriesystem zur Verfügung gestellt, wobei dessen Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Das Kraftfahrzeug kann als reines Elektrofahrzeug ausgestaltet sein und ausschließlich ein elektrisches Antriebssystem umfassen. Alternativ kann das Kraftfahrzeug als Hybridfahrzeug ausgestaltet sein, das ein elektrisches Antriebssystem und einen Verbrennungsmotor umfasst. In einigen Varianten kann vorgesehen sein, dass die Batterie des Hybridfahrzeugs intern über einen Generator mit überschüssiger Energie des Verbrennungsmotors geladen werden kann. Extern aufladbare Hybridfahrzeuge (PHEV, Plug-in Hybrid Electric Vehicle) sehen zusätzlich die Möglichkeit vor, die Batterie über das externe Stromnetz aufzuladen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 ein Modell (ECM) einer Batteriezelle,
2 eine Batteriezelle,
3 ein Diagramm zur Darstellung des komplexen Widerstands des Modells aus 1 bei kontinuierlich variierter Frequenz,
4A ein Diagramm mit einem Absolutbetrag des komplexen Widerstands des Modells aus 1 bei kontinuierlich variierter Frequenz,
4B ein Diagramm mit einem Phasenwinkel des komplexen Widerstands des Modells aus 1 bei kontinuierlich variierter Frequenz,
5 eine Zellüberwachungsschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
6A + 6B Diagramme gemäß 4A mit Darstellung von Grenz- und Mittelfrequenzen für Bandpassfilter,
7 eine Zellüberwachungsschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
8 eine Zellüberwachungsschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
9 ein System aus einer Recheneinheit und einem Tiefpassfilter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
10 Messergebnisse an dem in 7 bis 9 dargestellten System.
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Komponenten und Elemente mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten oder Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
1 zeigt ein Modell 1 einer Batteriezelle, welches eine Spannungsquelle 2, einen ersten Ohm’schen Widerstand 4 und ein in Reihe zu dem ersten Ohm’schen Widerstand 4 geschaltetes RC-Glied mit einem zweiten Ohm’schen Widerstand 6 und einem Kondensator 8 aufweist.
Das Modell 1 weist als messbare Größen die Größe R0 des ersten Ohm’schen Widerstands 4, die Größe R1 des zweiten Ohm’schen Widerstands 6, eine Zellspannung U_cell, einen Zellstrom I_cell und eine offene Klemmenspannung OCV der Spannungsquelle 2 auf.
2 zeigt eine Batteriezelle 10, welcher das in 1 dargestellte Modell 1 zugrunde gelegt werden kann. Die Batteriezelle kann beispielsweise eine Lithium-Ionen-Zelle mit einem Spannungsbereich von 2,8 bis 4,2 V sein.
Die Batteriezelle 10 weist ein Zellgehäuse 12 auf, in welchem Elektroden 14 angeordnet sind, beispielsweise gewickelte Elektroden (jelly roll) oder gestapelte Elektroden (stacked cell). Den Elektroden 14 sind Stromkollektoren 16 zugeordnet, welche außerhalb des Zellgehäuses 12 an Terminalen 18 die Zellspannung U_cell und den Zellstrom I_cell bereitstellen. Die Batteriezelle 10 ist typischerweise mittels Zellverbindern 20 in Reihe zu weiteren Batteriezellen 10 geschaltet um die geforderten Leistungs- und Energiedaten mit der Batterie zu erreichen.
Im Inneren des Zellgehäuses 12 ist eine Zellsicherung 22 angeordnet, welche im Falle einer Überladung oder Havarie der Batteriezelle 10 auslöst und Schäden verhindert.
Unterhalb der Batteriezelle 10 ist eine Kühlplatte 24 zur Kühlung der Batteriezelle angeordnet.
3 zeigt ein Diagramm mit einem Imaginärteil Im(Z) und einem Realteil Re(Z) eines komplexen Widerstands der in 2 dargestellten Batteriezelle 10, bzw. des Modells 1 aus 1 bei kontinuierlich variierter Frequenz. Die Figur zeigt das qualitative Verhalten der in Ohm gemessenen Größen zueinander. Bei großen Frequenzen > 1 rad/s wird der Realteil des komplexen Widerstands in der Größenordnung R0 liegen. Mit fallender Frequenz wird der Realteil des Widerstands steigen, wobei in der Größenordnung 10^–2 rad/s in etwa ein Wert R₀ + R₁ erreicht wird, eine Summe aus der Größe des ersten Ohm’schen Widerstands 4 und der Größe des zweiten Ohm’schen Widerstands 6. Die beiden genannten Frequenzen definieren untere und eine obere Cutoff-Frequenzen der Impedanz des Modells 1.
Zwischen den beiden Cutoff-Frequenzen verzeichnet der Imaginärteil Im(Z) des komplexen Widerstands einen Anstieg und einen Abfall. Unterhalb der Frequenz von 10^–2 rad/s steigt der Imaginärteil des komplexen Widerstands stark an.
4A zeigt den Verlauf eines Absolutbetrags des komplexen Widerstands Z, gemessen in dB, der Batteriezelle 10 nach dem Modell 1 bei kontinuierlich variierter Frequenz w, gemessen in rad/s. Die Figur zeigt das qualitative Verhalten der Größen zueinander. Wie mit Bezug zu 3 beschrieben, ergibt sich für Frequenzen < 10^–2 rad/s ein Absolutbetrag des komplexen Widerstands in der Größenordnung von R₀ + R₁ und für große Frequenzen > 1 rad/s ein Wert in der Größenordnung von R₀. Dazwischen findet ein stetiger Übergang statt.
4B zeigt einen Verlauf einer Phase ϕ₀ des komplexen Widerstands der Batteriezelle 10, gemessen in Grad, nach dem Modell 1 bei kontinuierlich variierter Frequenz, gemessen in rad/s. Die Figur zeigt das qualitative Verhalten der Größen zueinander. Zwischen den beiden Cutoff-Frequenzen finden ein starker Anstieg der Phasen und ein starker Abfall der Phase statt.
5 zeigt eine Zellüberwachungsschaltung 26 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Zellüberwachungsschaltung 26 umfasst eine Spannungsmesseinrichtung 28, welche eine spannungsbezogenen Messgröße U_R ermittelt, sowie eine Stromstärkemesseinrichtung 30, welche eine Stromstärke I_R ermittelt. Die Messwerte oder Daten der Spannungsmesseinrichtung 28 werden einem ersten Bandpassfilter 32 zugeführt, welcher die Messwerte zum Erhalt einer gefilterten spannungsbezogenen Messgröße U_Rf filtert. Ebenso wird die Zellstromstärke I_R einem zweiten Bandpassfilter 34 zugeführt, welcher die Zellstromstärke I_R zum Erhalt einer gefilterten Zellstromstärke I_Rf filtert. Die Bandpassfilter 32, 34 können insbesondere identisch dimensioniert sein.
Die gefilterte spannungsbezogene Messgröße U_Rf und die gefilterte Zellstromstärke I_Rf werden einer Recheneinheit 36 zugeführt, welche ein Verhältnis aus der gefilterten Zellstromstärke I_Rf und der gefilterten Zellspannung U_Rf zum Erhalt einer Verhältnisgröße R_V berechnet. Vor der Recheneinheit 36 kann ein Vergleicher 44 (in 7 und 8 dargestellt) geschaltet sein, welcher eine Schwellenwertbedingung für die gefilterte Zellstromstärke I_Rf anwendet, so dass alle gefilterten Zellstromstärken I_Rf unterhalb des Schwellenwerts verworfen werden. Für entsprechende Zeitpunkte steht kein Messwert zur Verfügung.
Die Zellüberwachungsschaltung 26 weist weiterhin einen Tiefpassfilter 38 auf, welcher die Verhältnisgröße R_V zum Erhalt der Größe R0 des ersten Ohm’schen Widerstands 4 oder zum Erhalt der Größe R1 des zweiten Ohm’schen Widerstands 6 filtert, welche in der Figur als R dargestellt sind.
6A zeigt das Diagramm aus 4A mit der Darstellung der Dimensionierung eines Bandpassfilters 32, 34 für R0. 6B zeigt ebenfalls das Diagramm aus 4A mit einer weiteren Darstellung zur Dimensionierung eines Bandpassfilters 32, 34 für R1. Die Figuren zeigen das qualitative Verhalten der Größen.
7 zeigt die Zellüberwachungsschaltung 26 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Als Darstellung wurde hier ein Simulink-Algorithmus gewählt. Mit der Zellüberwachungsschaltung 26 wird die Größe des ersten Ohm’schen Widerstands 4 berechnet.
Eingangsgrößen sind die Stromstärke I und die Zellspannung U, welche jeweils Bandpassfiltern erster Art 33, 35 zugeführt werden, welche gefilterte Zellspannungen U_f und gefilterte Zellstromstärken I_f bereitstellen. Das Signal der gefilterten Zellstromstärke I_f wird geteilt und einerseits einem System 40 aus einer Recheneinheit 36 und einem Tiefpassfilter 38 zugeführt und zugleich in einem zweiten Zweig einem Gleichrichter 42 zugeführt, welcher aus der gefilterten Stromstärke den Betrag bildet und hiernach einem Vergleicher 44, welcher den Betrag der gefilterten Stromstärke gegenüber einer Konstanten vergleicht, hier beispielsweise mit dem Wert 15 A. Im System 40 aus der Recheneinheit und dem Tiefpassfilter wird das Verhältnis aus der gefilterten Zellstromstärke und Zellspannung berechnet für den Fall, dass der Vergleicher 44 den Wert der gefilterten Zellstromstärke erlaubt. Das System 40 aus der Recheneinheit 36 und dem Tiefpassfilter 38 stellt ausgangsseitig die Größe des ersten Ohm’schen Widerstands 4 bereit. Das System 40 aus der Recheneinheit 36 und dem Tiefpassfilter 38 wird mit Bezug zu 9 näher erläutert.
8 zeigt eine Zellüberwachungsschaltung 26 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, welche dazu eingerichtet ist, die Größe des zweiten Ohm’schen Widerstands 6 zu berechnen. Als Darstellung wurde ein Simulink-Algorithmus gewählt.
Als Eingangsgrößen liegen der Zellüberwachungsschaltung 26 der Zellstrom I, die Zellspannung U und die beispielsweise mit der Zellüberwachungsschaltung 26 ermittelte Größe des ersten Ohm’schen Widerstands 4 vor.
Die Zellstromstärke I wird einem weiteren Tiefpassfilter 46 zugeführt, welcher die Stromstärke des zweiten Ohm’schen Widerstands 6 korrigiert, die sich von der Zellstromstärke unterscheidet.
Das Signal des weiteren Tiefpassfilters 46 wird einem zweiten Bandpassfilter zweiter Art 50 zugeführt, welcher das gefilterte Zellstromstärkesignal I_RCf bereitstellt. Das Signal der gefilterten Zellstromstärke I_RCf wird geteilt und, wie mit Bezug zu 7 beschrieben, einerseits direkt dem System 40 aus der Recheneinheit 36 und dem Tiefpassfilter 38 zugeführt und andererseits indirekt über den Gleichrichter 42 und den Vergleicher 44, welcher hier mit einer anderen Konstanten (5) arbeitet.
Einem ersten Bandpassfilter zweiter Art 48 wird eine spannungsbezogene Messgröße zugeführt, welche von einem Subtrahierer 54 bereitgestellt wird. Der Subtrahierer 54 berechnet die Differenz aus der Zellspannung U, der offenen Klemmenspannung OCV und der Spannung über dem ersten Ohm’schen Widerstand 4 U_R0, welche sich aus dem Produkt der Größe R0 des ersten Ohm’schen Widerstands 4 und dem Zellstrom I ergibt. Ein Multiplizierer 52 stellt das Produkt aus R0 und I dem Subtrahierer 54 bereit. Die gefilterte spannungsbezogene Messgröße U_RCf wird wiederum dem System 40 aus der Recheneinheit 36 und dem Tiefpassfilter 38 bereitgestellt, welches ausgangsseitig die Größe R1 des zweiten Ohm’schen Widerstands 6 bereitstellt.
Der erste Bandpassfilter zweiter Art 48 und der zweite Bandpassfilter zweiter Art 50 sind aus Konsistenzgründen gleich dimensioniert.
9 zeigt eine Ausführungsform des Systems 40 aus der Recheneinheit 36 und dem Tiefpassfilter 38, bei welcher ein Dividierer 56 das Eingangssignal der gefilterten spannungsbezogenen Messgröße bzw. Zellspannung U durch das gefilterte Signal der Zellstromstärke I dividiert, und einem zweiten Subtrahierer 58 bereitstellt.
Der zweite Subtrahierer 58 ist Teil einer geschlossenen Schleife, welche den Tiefpassfilter 38 bildet und welche weiterhin einen Verstärker 60 und einen Integrierer 62 aufweist, dessen Ausgangssignal das zweite Eingangssignal des zweiten Subtrahierers 58 bildet. Der Verstärker 60 wird beispielsweise mit einem Parameter 1/20 versehen, so dass das Signal abgeschwächt wird. Der Integrierer 62 kann beispielsweise als diskreter Zeitintegrierer mit einer Konstanten K und einer Zeitkonstanten T_s ausgeführt sein, wobei T_s beispielsweise 100ms groß ist.
Ausgangsseitig stellt das System 40 mit der Recheneinheit 36 und dem Tiefpassfilter 38 je nach Einsatzort die Größe des ersten Ohm’schen Widerstands 4 oder die Größe des zweiten Ohm’schen Widerstands 6 bereit.
10 zeigt eine Reihe von Messreihen, welche bei einem Testlauf über einen Zeitraum von etwas mehr als 3000 Zeiteinheiten mit einem batteriebetriebenen Fahrzeug gewonnen wurden.
Ein erstes Diagramm zeigt den Verlauf einer Zellspannung U bei dem Kraftfahrzeug. Die Zellspannung zeigt neben einer Vielzahl von Schwankungen insgesamt eine abfallende Tendenz, so dass ein Spannungswert von etwas über 4 V zu Beginn der Zeiterfassung und ein Spannungswert von ungefähr 3,8 V zum Ende der Zeiterfassung vorliegen.
Ein zweites Diagramm zeigt den Verlauf eines Zellstroms I. Der Zellstrom umfasst positive und negative Ausschläge mit einem überwiegenden Anteil von negativen Ausschlägen, was auf eine stetige Entladung der Batterie hindeutet.
Ein drittes Diagramm zeigt den Ladezustand (state of charge, SOC) der Fahrzeugbatterie darstellt, welche von zu Beginn über 80% auf zum Ende etwas über 40% gesunken ist.
Ein viertes Diagramm zeigt zwei Kurven für die Größe R0 des ersten Ohm’schen Widerstands 4, wobei eine erste Kurve eine defekte Batteriezelle 64 darstellt und eine zweite Kurve eine funktionierende Batteriezelle 66, welche in dem Fahrzeug verbaut waren. Bei der defekten Batteriezelle 64 steigt der die Größe R0 des ersten ohmschen Widerstands 4 im Laufe der Zeit an, hier beispielhaft von 0,5 mΩ auf 1 mΩ, wohingegen die Größe R0 des ersten ohmschen Widerstands 4 der funktionierenden Batteriezelle 66 bei dem Eingangswert in Höhe von 0,5 mΩ bleibt.
Ein fünftes Diagramm zeigt zwei Kurven für die Größe R1 des zweiten Ohm’schen Widerstands 6, wobei sowohl bei der defekten Batteriezelle 64 als auch bei der funktionierenden Batteriezelle 66 im Wesentlichen ein einheitlicher Verlauf vorliegt, bei welchem der Anfangswert von etwas weniger als 1 mΩ auf etwas mehr als 0,6 mΩ absinkt.
Ein sechstes Diagramm zeigt das Verhältnis der Größen R1 zu R0. Während zu Beginn der Zeiterfassung das Verhältnis R1 zu R0 größer als 1 ist, stellt sich bei der defekten Batteriezelle 64 oberhalb von etwa 1800 Zeiteinheiten ein Wert unterhalb von 1 ein. Bei der funktionierenden Batteriezelle 66 bleibt der Wert oberhalb von 1.
Eine zeitliche Überwachung der Größen R0 und R1 und des Verhältnisses R1 zu R0 (oder umgekehrt natürlich) ermöglicht eine Diagnose der Batterie. Im vorliegenden Fall kann aus dem Fakt, dass R0 ansteigt, R1 im Wesentlichen konstant ist und das Verhältnis R1 zu R0 sinkt, aus obiger Tabelle abgeleitet werden, dass ein Anstieg des Zellverbindungswiderstands vorliegt.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr sind innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2008/005484 [0012]
US 2007/0035307 [0012]
WO 2011/057846 [0013]

Claims

Verfahren zum Bestimmen zumindest einer widerstandsbezogenen Größe einer Batteriezelle (10), wobei der Batteriezelle (10) ein Modell (1) zugrunde gelegt ist, welches einen ersten Ohm’schen Widerstand (4) und ein in Reihe zu dem ersten Ohm’schen Widerstand (4) geschaltetes RC-Glied mit einem zweiten Ohm’schen Widerstand (6) und einem Kondensator (8) aufweist, wobei das Modell (1) als widerstandsbezogene Größen der Batteriezelle (10) die Größe des ersten Ohm’schen Widerstands (4) und die Größe des zweiten Ohm’schen Widerstands (6) ausweist, umfassend die folgenden Schritte: a) Filtern einer spannungsbezogenen Messgröße und einer Zellstromstärke mittels eines Bandpassfilters (32, 33, 34, 35, 48, 50) oder mittels eines Hochpassfilters zum Erhalt einer gefilterten spannungsbezogenen Messgröße und einer gefilterten Zellstromstärke, b) Berechnen eines Verhältnisses aus der gefilterten spannungsbezogenen Messgröße und der gefilterten Zellstromstärke zum Erhalt einer Verhältnisgröße und c) Filtern der Verhältnisgröße mittels eines Tiefpassfilters (38) zum Erhalt der Größe des ersten Ohm’schen Widerstands (4) oder der Größe des zweiten Ohm’schen Widerstands (6).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass im Schritt c) die Größe des ersten Ohm’schen Widerstands (4) bestimmt wird, die spannungsbezogene Messgröße im Schritt a) eine Zellspannung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass im Schritt c) die Größe des zweiten Ohm’schen Widerstands (6) bestimmt wird, die spannungsbezogene Messgröße im Schritt a) eine Differenz aus einer Zellspannung, einer offenen Klemmenspannung und einer Spannung über dem ersten Ohm’schen Widerstand (4) ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung über dem ersten Ohm’schen Widerstand (4) als Produkt des Zellstroms mit der Größe des ersten Ohm’schen Widerstands (4) bestimmt wird, wobei die Größe des ersten Ohm’schen Widerstands (4) gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den für den Fall, dass im Schritt c) die Größe des ersten Ohm’schen Widerstands (4) bestimmt wird, im Schritt a) ein Bandpassfilter (32, 33, 34, 35, 48, 50) mit einer Mittenfrequenz verwendet wird, die höher ist als eine höchste Cutoff-Frequenz einer Impedanz des Modells (1), oder ein Hochpassfilter mit einer Grenzfrequenz, die höher ist als die höchste Cutoff-Frequenz der Impedanz des Modells (1).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass im Schritt c) die Größe des zweiten Ohm’schen Widerstands (6) bestimmt wird, im Schritt a) ein Bandpassfilter (32, 33, 34, 35, 48, 50) mit einer unteren Grenzfrequenz verwendet wird, die niedriger ist als eine niedrigste Cutoff-Frequenz einer Impedanz des Modells (1), oder ein Hochpassfilter mit einer Grenzfrequenz, die niedriger ist als die niedrigste Cutoff-Frequenz der Impedanz des Modells (1).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfrequenz des im Schritt c) verwendeten Tiefpassfilters (38) derart bestimmt ist, dass ein Signalrauschen, Aliasing-Effekte und induktive Effekte unterdrückt sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung der Verhältnisgröße im Schritt b) eine Schwellenwertbedingung für die gefilterte Zellstromstärke angewendet wird, wobei gefilterte Zellstromstärken, welche unterhalb der Schwellenwerts liegen, als Messwerte verworfen werden.
Verfahren zur Batteriezellüberwachung, wobei zumindest eine der Größen des ersten Ohm’schen Widerstands (4) oder des zweiten Ohm’schen Widerstands (6) nach einem der Verfahren 1 bis 8 bestimmt werden, und wobei ein Verhältnis der Größe des ersten Ohm’schen Widerstands zur Größe des zweiten Ohm’schen Widerstands (6) überwacht wird.
Computerprogramm zur Durchführung eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wenn das Computerprogramm auf einer programmierbaren Computereinrichtung ausgeführt wird.
Zellüberwachungsschaltung (26) zum Bestimmen zumindest einer widerstandsbezogenen Größe einer Batteriezelle (10), wobei der Batteriezelle (10) ein Modell (1) zugrunde gelegt ist, welches einen ersten Ohm’schen Widerstand (4) und ein in Reihe zu dem ersten Ohm’schen Widerstand (4) geschaltetes RC-Glied mit einem zweiten Ohm’schen Widerstand (6) und einem Kondensator (8) aufweist, wobei das Modell (1) als widerstandsbezogene Größe der Batteriezelle (10) die Größe des ersten Ohm’schen Widerstands (4) und die Größe des zweiten Ohm’schen Widerstands (6) ausweist, mit a) Stromstärke- und Spannungsmesseinrichtungen (30, 28), welche eine Zellspannung und eine Zellstromstärke ermitteln, b) Hochpassfilter oder Bandpassfilter (32, 33, 34, 35, 48, 50), welche eine spannungsbezogene Messgröße und die Zellstromstärke zum Erhalt einer gefilterten spannungsbezogenen Messgröße und einer gefilterten Zellstromstärke filtern, c) einer Recheneinheit (36), welche eingerichtet ist, ein Verhältnis aus der gefilterten spannungsbezogenen Messgröße zu der gefilterten Zellstromstärke zum Erhalt einer Verhältnisgröße zu berechnen und d) einem Tiefpassfilter (38), welcher die Verhältnisgröße zum Erhalt der Größe des ersten Ohm’schen Widerstands (4) oder der Größe des zweiten Ohm’schen Widerstands (6) filtert.
Batterie mit einem Batteriemanagementsystem, welches zumindest eine Zellüberwachungsschaltung (26) nach Anspruch 11 aufweist und/oder welches eingerichtet ist, eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.
Kraftfahrzeug mit einer Batterie nach Anspruch 12, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.