DE102017218715A1 - Determination of SOC and temperature of a lithium-ion cell by means of impedance spectroscopy - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Temperatur T und Ladungszustand SOC einer Lithiumionenzelle, das die Messung von mindestens zwei Impedanzwerten A und B, die Bereitstellung von Referenzdaten für A und B als Funktion von T und SOC, und die Ermittlung von T und SOC durch Vergleich der gemessenen Impedanzwerten A und B mit den Referenzdaten umfasst. Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. The invention relates to a method for determining temperature T and charge state SOC of a lithium-ion cell, the measurement of at least two impedance values A and B, the provision of reference data for A and B as a function of T and SOC, and the determination of T and SOC by Comparison of the measured impedance values A and B with the reference data includes. Another aspect of the invention relates to an apparatus for carrying out the method.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Ladungszustands (State of Charge, SOC) und der Temperatur einer Lithiumionenzelle mittels Impedanzspektroskopie, eine Vorrichtung, insbesondere ein Steuergerät für die Zellüberwachung oder das Batteriemanagement, die das Verfahren einsetzt, sowie ein Batteriesystem, das die Vorrichtung umfasst.The present invention relates to a method for determining the state of charge (SOC) and the temperature of a lithium-ion cell by means of impedance spectroscopy, a device, in particular a control device for cell monitoring or battery management, which uses the method, as well as a battery system, the device includes.
Technischer HintergrundTechnical background
Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) ist ein etabliertes Verfahren zur Charakterisierung von elektrochemischen Systemen wie insbesondere auch galvanischen Zellen, das allgemein die Messung der Impedanz, also des komplexen Wechselstromwiderstands, in Abhängigkeit von der Frequenz des Anregungssignals beinhaltet.Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is an established method for the characterization of electrochemical systems, in particular also galvanic cells, which generally involves the measurement of the impedance, ie of the complex alternating current resistance, as a function of the frequency of the excitation signal.
Im Stand der Technik ist bekannt, Impedanzmessungen oder Impedanzspektroskopie zur Diagnose des Zustandes von Lithiumionenzellen einzusetzen.It is known in the art to use impedance measurements or impedance spectroscopy to diagnose the state of lithium-ion cells.
Hierbei wird beispielsweise auf die
Weiterhin ist auch bekannt, die Temperatur einer Lithiumionenzelle mithilfe der Impedanz zu bestimmen. Gegenüber einer direkten Temperaturmessung mithilfe eines Sensors am oder im Zellgehäuse hat dies den Vorteil, dass direkt die Temperatur im elektrochemisch aktiven Bereich der Elektrodenanordnung ermittelt wird, die von der Gehäusetemperatur abweichen kann.Furthermore, it is also known to determine the temperature of a lithium-ion cell by means of the impedance. Compared to a direct temperature measurement by means of a sensor on or in the cell housing, this has the advantage that the temperature in the electrochemically active region of the electrode assembly is determined directly, which may differ from the housing temperature.
Aufgabenstellungtask
Die vorbekannten Verfahren zur Temperaturbestimmung mittels Impedanzmessung haben den Nachteil, dass die Frequenzabhängigkeit oder die Phase der Impedanz nicht nur von der Temperatur, sondern auch vom Ladungszustand (SOC) der Zelle abhängt. Für eine genaue Temperaturmessung ist es daher erforderlich, zusätzlich den Ladungszustand zu kennen, der typischerweise vom Batteriekontrollsystem anhand der gemessenen Strom- und Spannungsdaten und gegebenenfalls auch aus der (Gehäuse-) Temperatur berechnet wird. Somit hängt die Genauigkeit der Temperaturbestimmung über die Impedanz im Stand der Technik davon ab, wie präzise der SOC bestimmt werden kann.The previously known methods for determining the temperature by means of impedance measurement have the disadvantage that the frequency dependence or the phase of the impedance depends not only on the temperature but also on the state of charge (SOC) of the cell. For an accurate temperature measurement, it is therefore necessary to additionally know the state of charge, which is typically calculated by the battery control system based on the measured current and voltage data and possibly also from the (housing) temperature. Thus, the accuracy of temperature determination via the impedance in the prior art depends on how precisely the SOC can be determined.
Im Hinblick darauf wäre ein Verfahren wünschenswert, mit dem die Temperatur mittels Impedanzmessung direkt ermittelt werden kann, ohne den SOC zu kennen. Weiterhin wäre auch ein Verfahren wünschenswert, mit dem der SOC direkt bestimmt werden kann, ohne die Vorgeschichte der Zelle und die bereits geflossene Ladung zu kennen.In view of this, a method would be desirable with which the temperature can be determined directly by means of impedance measurement, without knowing the SOC. Furthermore, a method by which the SOC can be directly determined without knowing the history of the cell and the charge that has already flowed would also be desirable.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Temperatur T und Ladungszustand SOC einer Lithiumionenzelle, umfassend:
- (a) Messung des Realteils oder des Betrages der Impedanz Z der Zelle bei einer Frequenz f1, um einen ersten Impedanzwert A zu erhalten;
- (b) Messung mindestens eines weiteren Impedanzwerts B, ausgewählt aus:
- - Imaginärteil bzw. Phase der Impedanz Z bei der Frequenz f1
- - Realteil oder Betrag der Impedanz Z bei einer anderen Frequenz f2, die so gewählt ist, dass sich die T-Abhängigkeit und/oder die SOC-Abhängigkeit der Impedanz von derjenigen bei f1 unterscheidet;
- - Imaginärteil bzw. Phase der Impedanz Z bei der Frequenz f2;
- (c) Bereitstellung von Impedanz-Referenzdaten für die in (a) und (b) gemessenen Impedanzwerte als Funktion von T und SOC, Aref (T, SOC) und Bref (T, SOC), wobei die Impedanz-Referenzdaten aus vorbekannten zellspezifischen Kalibrierungsdaten abgelesen, interpoliert oder berechnet werden;
- (d) Bestimmung von T und SOC aus den in a und b gemessenen Impedanzwerten A und B durch Vergleich mit den Referenzdaten, wobei T und SOC diejenigen sind, bei denen ΔA = A-Aref (T, SOC) und ΔB=B-Bref (T, SOC) gleichzeitig minimal werden.
- (a) measuring the real part or the magnitude of the impedance Z of the cell at a frequency f1 to obtain a first impedance value A;
- (b) measuring at least one further impedance value B selected from:
- - Imaginärteil or phase of the impedance Z at the frequency f1
- The real part or magnitude of the impedance Z at a different frequency f2 chosen so that the T-dependence and / or the SOC-dependence of the impedance differs from that at f1;
- Imaginary part or phase of the impedance Z at the frequency f2;
- (c) providing impedance reference data for the impedance values measured in (a) and (b) as a function of T and SOC, A ref (T, SOC) and B ref (T, SOC), the impedance reference data being from previously known cell-specific calibration data are read, interpolated or calculated;
- (d) Determination of T and SOC from the impedance values A and B measured in a and b by comparison with the reference data, where T and SOC are those where ΔA = AA ref (T, SOC) and ΔB = BB ref (T , SOC) at the same time become minimal.
Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft eine Batteriekontrolleinrichtung, die das Verfahren einsetzt.Another aspect of the invention relates to a battery control device which employs the method.
Figurenlistelist of figures
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1 zeigt einen Plot des Realteils der Impedanz Re(Z) (mΩ) einer Lithiumionenzelle gegen die Temperatur T (°C) und den Ladungszustand SOC (%). Der eingezeichnete Schnitt des Plots mit der schraffierten Fläche bei Re(Z) = 0.79 mΩ parallel zur T-SOC-Ebene liefert eine Isolinie von möglichen Temperatur/SOC-Wertepaaren, die diesem Re(Z) entsprechen.1 shows a plot of the real part of the impedance Re (Z) (mΩ) of a lithium-ion cell against the temperature T (° C) and the state of charge SOC (%). The plot of the hatched area plot at Re (Z) = 0.79 mΩ parallel to the T-SOC plane provides an isoline of possible temperature / SOC value pairs corresponding to this Re (Z). -
2 zeigt einen entsprechenden Plot des Imaginärteils der Impedanz Im(Z) (10-4Ω) einer Lithiumionenzelle gegen die Temperatur T (°C) und den Ladungszustand SOC (%). Der Schnitt des Plots mit der schraffierten Fläche bei Im(Z) = 0.69 mΩ parallel zur T-SOC-Ebene liefert eine Isolinie von möglichen Temperatur/SOC-Wertepaaren, die diesem Im(Z) entsprechen.2 shows a corresponding plot of the imaginary part of the impedance Im (Z) (10 -4 Ω) of a lithium-ion cell against the temperature T (° C) and the state of charge SOC (%). The intersection of the plot with the hatched area at Im (Z) = 0.69 mΩ parallel to the T-SOC plane provides an isoline of possible temperature / SOC value pairs corresponding to this Im (Z). -
3 zeigt die Projektion der beiden Isolinien mit Re(Z) = 0.79 mΩ bzw. Im(Z) = 0.69 mΩ aus1 und2 in die T-SOC-Ebene. Re(Z)-Isolinie deckt im Bereich von 0 bis 100% SOC ein Temperaturintervall ΔT von etwa 18°C ab, während die Im(Z)-Linie ein Temperaturintervall ΔT von 12°C abdeckt. Wie ersichtlich gibt es jedoch nur einen Punkt mit Z = 0.79 mΩ + i*0.69 mΩ, und dieser liegt bei 25°C und 70% SOC.3 shows the projection of the two isolines with Re (Z) = 0.79 mΩ and Im (Z) = 0.69mΩ 1 and2 to the T-SOC level. Re (Z) iso line covers a temperature interval ΔT of about 18 ° C in the range of 0 to 100% SOC, while the Im (Z) line covers a temperature interval ΔT of 12 ° C. As can be seen, however, there is only one point with Z = 0.79 mΩ + i * 0.69 mΩ, and this is at 25 ° C and 70% SOC. -
4 zeigt schematisch den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.4 shows schematically the course of the method according to the invention.
Detaillierte BeschreibungDetailed description
Funktionsprinzipprinciple of operation
Wie oben beschrieben ist die Impedanz im Allgemeinen sowohl von der Temperatur als auch vom SOC abhängig.As described above, the impedance is generally dependent on both temperature and SOC.
Folglich werden beispielsweise bei konstantem SOC für den Realteil der Impedanz Re(Z) bei variierender Temperatur unterschiedliche Werte erhalten. Ebenso werden für Re(Z) bei konstanter Temperatur und variierendem SOC unterschiedliche Werte erhalten. Für einen bestimmten, fixen Re(Z)-Wert gibt es also eine Schar von unterschiedlichen Temperatur- und SOC-Wertepaaren. In einer Auftragung von Re(Z) gegen die Temperatur T und den SOC findet sich für ein konstantes Re(Z) also eine Isolinie, die nicht achsenparallel zur T- und zur SOC-Achse verläuft (siehe
Entsprechendes gilt auch für den Imaginärteil Im(Z) der Impedanz. Eine Auftragung von Im(Z) gegen T und SOC liefert für jeden Wert von Im(Z) ebenfalls eine Isolinie, die normalerweise nicht achsenparallel zur T- und zur SOC-Achse verläuft (siehe
Das Ausmaß der SOC- bzw. T-Abhängigkeit der Impedanz ist dabei frequenzabhängig. Die kapazitiven und diffusionskontrollierten Beiträge zur Impedanz, auf die der Einfluss von T und SOC erwartungsgemäß am stärksten ist, sinken mit steigender Frequenz, so dass sich bei hohen Frequenzen sowohl die SOC- als auch die T-Abhängigkeit verringert. Die SOC-Abhängigkeit nimmt bei steigender Frequenz jedoch wesentlich stärker ab als die T-Abhängigkeit.The extent of the SOC or T-dependence of the impedance is frequency-dependent. The capacitive and diffusion-controlled contributions to impedance to which the influence of T and SOC is expected to be strongest decrease with increasing frequency, so that at high frequencies both the SOC and T dependencies decrease. However, the SOC dependence decreases significantly more with increasing frequency than the T-dependence.
Ein Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung basiert auf der Beobachtung, dass Abhängigkeit der Impedanz von der Temperatur und dem SOC bei einer gegebenen Frequenz F1 typischerweise für den Realteil Re(Z) und den Imaginärteil Im(Z) unterschiedlich stark ist und auch einen unterschiedlichen Verlauf haben kann.One aspect of the present invention is based on the observation that dependence of the impedance on the temperature and the SOC at a given frequency F1 is typically different for the real part Re (Z) and the imaginary part Im (Z) and may also have a different course ,
Zwar gibt es für jedes gemessene Re(Z) bzw. Im(Z) eine ganze Schar verschiedener T- und SOC-Wertepaare, die zu diesem Messwert führen, doch wurde gefunden, dass es für ein gemessenes Re(Z)-Im(Z)-Wertepaar typischerweise nur ein zugehöriges T- und SOC-Wertepaar gibt. Bei der Auftragung des Real- bzw. Imaginärteils gegen T und SOC schneiden sich die Isolinien für ein gemessenes Wertepaar bei der Projektion in die T-SOC-Ebene in einem Punkt, der dem zugehörigen T-SOC-Wertepaar entspricht (siehe
Dieses Prinzip ist natürlich unabhängig davon, wie die Impedanz dargestellt wird, und gilt somit nicht nur für die Darstellung mit Real- und Imaginärteil, sondern entsprechend auch für die Darstellung mit Betrag und Phase. Wichtig ist nur, dass die Impedanz als komplexe Größe erfasst wird.This principle is, of course, independent of how the impedance is represented, and thus applies not only to the display with real and imaginary part, but also applies accordingly to the representation with magnitude and phase. It is only important that the impedance is detected as a complex variable.
Analoges gilt auch für die T- bzw.- SOC-Abhängigkeit der Impedanz bei einer unterschiedlichen Frequenz f2, deren Verlauf sich typischerweise von demjenigen bei der Frequenz f1 ebenfalls unterscheidet, wobei die SOC-Abhängigkeit mit steigender Frequenz stärker abnimmt als die T-Abhängigkeit. Die Projektionen der Isolinien in die T-SOC-Ebene verlaufen daher mit steigender Frequenz zunehmend flacher, und die im Bereich von 0 bis 100% SOC abgedeckten ΔT-Werte verringern sich.The same applies analogously to the T or SOC dependence of the impedance at a different frequency f2, the course of which likewise typically differs from that at the frequency f1, the SOC dependence decreasing more rapidly with increasing frequency than the T dependence. The projections of the isolines into the T-SOC plane therefore become progressively flatter with increasing frequency, and the ΔT values covered in the range of 0 to 100% SOC decrease.
Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung macht sich diesen Unterschied zunutze. Für den Realteil bzw. den Betrag der Impedanz bei der Frequenz f2 lässt sich ebenfalls eine Isolinie von T-SOC-Wertepaaren ermitteln, die sich mit derjenigen bei der Frequenz f1 typischerweise ebenfalls in einem Punkt schneidet, so dass auch auf diese Weise ein eindeutiger Wert für T und SOC bestimmt werden kann.Another aspect of the present invention takes advantage of this difference. For the real part or the magnitude of the impedance at the frequency f2, it is likewise possible to determine an isoline of T-SOC value pairs which likewise typically intersects at one point with that at the frequency f1, so that in this way too a unique value can be determined for T and SOC.
Insgesamt beruht die vorliegende Erfindung also auf der Messung von mindestens zwei Impedanzwerten A und B, von denen bekannt ist, dass sie eine unterschiedliche T- und SOC-Abhängigkeit aufweisen. Bei A kann es sich insbesondere um den Realteil oder der Betrag der Impedanz bei einer ersten Frequenz f1 handeln, und B kann insbesondere der Imaginärteil bzw. die Phase bei der Frequenz f1 und/oder der Realteil oder der Betrag bei der Frequenz f2 sein.Overall, therefore, the present invention is based on the measurement of at least two impedance values A and B, which are known to have a different T and SOC dependence. In particular, A may be the real part or the magnitude of the impedance at a first frequency f1, and B may be, in particular, the imaginary part or the phase at the frequency f1 and / or the real part or the amount at the frequency f2.
Referenzdatenreference data
Erfindungsgemäß ist eine gleichzeitige Bestimmung sowohl von T als auch von SOC einer Lithiumionenzelle durch Messung von mindestens zwei Impedanzwerten A und B mit unterschiedlicher T/SOC-Abhängigkeit möglich, sofern die T/SOC-Abhängigkeit der Zelle bekannt ist.According to the invention, a simultaneous determination of both T and SOC of a lithium-ion cell by measuring at least two impedance values A and B with different T / SOC dependence is possible, as long as the T / SOC dependence of the cell is known.
Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es daher nötig, Impedanz-Referenzdaten für A und B bereitzustellen, die es ermöglichen, A bzw. B als Funktion von T und SOC, d.h. Aref(T, SOC) und Bref (T, SOC), zu bestimmen. Die Referenzdaten können vorher ermittelt werden, indem die Zelle auf eine Mehrzahl von unterschiedlichen, genau definierten T- und SOC-Werten eingestellt wird, beispielsweise durch Thermostatisierung und Kontrolle der geflossenen Ladung, und die Werte von A und B für den jeweils eingestellten T-SOC-Zustand gemessen werden.It is therefore necessary for the method according to the invention to provide impedance reference data for A and B which make it possible to use A or B as a function of T and SOC, ie A ref (T, SOC) and B ref (T, SOC), to determine. The reference data may be previously determined by adjusting the cell to a plurality of different, well-defined T and SOC values, for example by thermostating and controlling the amount of charge flow, and the values of A and B for the respective set T-SOC Condition can be measured.
Die so erhaltenen Referenzpunkte können beispielsweise in der Messeinrichtung oder dem Steuergerät, das die Auswertung vornimmt, als Wertetabelle (Look-up-Table, LUT) hinterlegt werden. Die Ermittlung von Aref (T, SOC) und Bref (T, SOC) kann dann anhand der Referenzpunkte aus der LUT durch Ablesen bzw. Interpolieren erfolgen.The reference points thus obtained can be stored, for example, in the measuring device or the control unit, which carries out the evaluation, as a look-up table (LUT). The determination of A ref (T, SOC) and B ref (T, SOC) can then take place on the basis of the reference points from the LUT by reading or interpolation.
Als Alternative ist es auch möglich, die Referenzdaten modellbasiert zu erzeugen. Die Vorgehensweise ist in der Literatur beschrieben, beispielsweise in
Die dort beschriebenen Methoden können für das erfindungsgemäße Verfahren herangezogen werden. Insbesondere können dabei Verfahren zum Einsatz kommen, in denen das Verhalten der Zelle durch ein Ersatzschaltbild modelliert wird, die als Bauelemente zumindest Ohm'schen Widerstände R und Kapazitanzen C umfassen.The methods described there can be used for the method according to the invention. In particular, methods can be used in which the behavior of the cell is modeled by an equivalent circuit diagram, which includes as components at least ohmic resistances R and capacitances C.
Da die erfindungsgemäß erforderlichen Referenzdaten lediglich für die Messfrequenz(en) vorhergesagt werden müssen, ist es gegebenenfalls möglich, die in der Literatur beschriebenen Modelle erheblich zu vereinfachen, indem Bestandteile mit deutlich längeren Zeitkonstanten, wie sie beispielswese für die Beschreibung von Diffusionsvorgängen nötig sind, weggelassen werden. Beispielsweise kann ein geeignetes Modell lediglich einen Serienwiderstand und ein oder mehrere RC-Glieder umfassen. Die Temperatur- und SOC-Abhängigkeit von R und C kann durch empirisch zu ermittelnde Gleichungen widergegeben werden, gegebenenfalls auch durch analytische Ansätze, z.B. Arrhenius-Verhalten bei der Elektrolytleitfähigkeit.Since the reference data required according to the invention need only be predicted for the measurement frequency (s), it may be possible to considerably simplify the models described in the literature by omitting components with significantly longer time constants, as are necessary, for example, for the description of diffusion processes become. For example, a suitable model may include only a series resistor and one or more RC elements. The temperature and SOC dependence of R and C can be represented by equations to be determined empirically, optionally also by analytical approaches, e.g. Arrhenius behavior in the electrolyte conductivity.
Die freien Parameter des Modells (d.h. die verschiedenen Rund C-Werte sowie die Parameter zur Widergabe der SOC- bzw. T-Abhängigkeit) können durch Fit des Modells an Referenzpunkte bestimmt werden, wobei die Referenzpunkte auf die gleiche Weise erhalten werden können wie für den LUTbasierten Ansatz beschrieben. Mischformen, beispielsweise eine analytische Vorhersage der T-Abhängigkeit anhand eines Arrhenius-Modells, in Kombination mit einer LUT für die SOC-Abhängigkeit, sind ebenfalls möglich.The free parameters of the model (ie the various round C values as well as the SOC and T dependency parameters) can be obtained by fitting the model to reference points where the reference points can be obtained in the same way as described for the LUT-based approach. Mixed forms, such as an analytic prediction of T-dependence using an Arrhenius model, in combination with a LUT for SOC dependence, are also possible.
Im Allgemeinen können A und B nicht nur von T und SOC, sondern auch von weiteren Parametern wie beispielsweise dem Alterungszustand der Zelle (State-of-Health, SOH) abhängen. Vorzugsweise fließen solche Abhängigkeiten ebenfalls in die Ermittlung von Aref (T, SOC) und Bref (T, SOC) aus den Referenzpunkten ein. Hierzu kann die LUT bzw. das Impedanzmodell um weitere Referenzpunkte für Zellen mit definiertem Alterungszustand ergänzt werden, um daraus Referenzdaten für A und B als Funktion von T, SOC und SOH, d.h., Aref (T, SOC, SOH) und Bref (T, SOC, SOH), ablesen bzw. berechnen zu können.In general, A and B may depend not only on T and SOC, but also on other parameters such as the state of health (SOH) of the cell. Such dependencies preferably also flow into the determination of A ref (T, SOC) and B ref (T, SOC) from the reference points. For this purpose, the LUT or the impedance model can be supplemented by further reference points for cells with a defined state of aging in order to use reference data for A and B as a function of T, SOC and SOH, ie, A ref (T, SOC, SOH) and B ref (FIG. T, SOC, SOH), to read or calculate.
Der Alterungszustand (SOH) der Zelle, deren Temperatur und SOC durch das erfindungsgemäße Verfahren gemessen werden sollen, wird typischerweise ohnehin vom Batteriesteuerungssystem routinemäßig anhand der Vorgeschichte und des Strom/Spannungsverhaltens der Zelle abgeschätzt und ist daher bekannt. Zudem lässt sich der SOH gegebenenfalls beispielsweise durch Messung der nutzbaren Kapazität nach maximaler Aufladung ermitteln. Somit kann der SOH als vorbekannte Konstante eingesetzt werden, und die Referenzdaten vereinfachen sich wieder zu Aref(T, SOC, SOH=const) = Aref' (T, SOC) bzw. Bref(T, SOC, SOH=const) = Bref' (T, SOC).The aging state (SOH) of the cell, whose temperature and SOC are to be measured by the method according to the invention, is typically estimated by the battery management system routinely from the history and current / voltage behavior of the cell and is therefore known. In addition, the SOH can optionally be determined, for example, by measuring the usable capacity after maximum charge. Thus, the SOH can be used as a previously known constant, and the reference data are again simplified to A ref (T, SOC, SOH = const) = A ref '(T, SOC) or B ref (T, SOC, SOH = const) = B ref '(T, SOC).
Es ist auch möglich, zwischenzeitlich, etwa in vorgegebenen Intervallen, die Zelle auf einen definierten Ladungszustand zu bringen und thermisch zu äquilibrieren, und dann für den so eingestellten T-SOC-Zustand A und B zu bestimmen. Die so erhaltenen Kalibrierungspunkte können dann ebenfalls im jeweiligen Steuergerät gespeichert und gegebenenfalls zur Korrektur der aus der LUT abgelesenen bzw. interpolierten Referenzdaten oder zum Update der Parameter des Impedanzmodells eingesetzt werden. Insbesondere können die Kalibrierungspunkte bei bekanntem, durch das Batteriesteuersystem ermitteltem SOH durchgeführt werden, um eine Korrektur im Hinblick auf den SOH zu ermöglichen.It is also possible, in the meantime, at approximately predetermined intervals, to bring the cell to a defined state of charge and to thermally equilibrate it, and then to determine it for the T-SOC state A and B thus set. The calibration points thus obtained can then likewise be stored in the respective control unit and, if appropriate, used to correct the reference data read or interpolated from the LUT or to update the parameters of the impedance model. In particular, the calibration points may be performed with a known SOH determined by the battery control system to enable a correction with respect to the SOH.
Messfrequenzmeasuring frequency
Die Anregungsfrequenz bei der Impedanzmessung liegt typischerweise im Bereich von 1 Hz bis 10 kHz, vorzugsweise 50 Hz bis 5 kHz, insbesondere 100 Hz bis 1 kHz. Die Wahl der Frequenz kann dabei einen Einfluss auf die Präzision der SOC- und T-Bestimmung beim erfindungsgemäßen Verfahren ausüben.The excitation frequency in the impedance measurement is typically in the range of 1 Hz to 10 kHz, preferably 50 Hz to 5 kHz, in particular 100 Hz to 1 kHz. The choice of frequency can exert an influence on the precision of the SOC and T determination in the method according to the invention.
So hängt das Ausmaß der SOC-Abhängigkeit der Impedanz stark von der Frequenz ab. Bei einer Frequenz von 850 Hz, wie in den in
Umgekehrt erhöhen sich die SOC-Abhängigkeit und damit die Genauigkeit der SOC-Bestimmung bei Verringerung der Frequenz. Bei niedrigen Frequenzen, beispielsweise 500 Hz oder weniger, lässt sich der SOC somit genauer bestimmen. Allerdings wird die Temperaturbestimmung zunehmend ungenauer, da sich zwar die Temperaturabhängigkeit der Impedanz ebenfalls erhöht, aber der Einfluss von SOC und SOH nicht mehr eliminiert werden kann, wie es bei den hohen Frequenzen der Fall ist.Conversely, the SOC dependence and thus the accuracy of the SOC determination increase as the frequency decreases. At low frequencies, for example 500 Hz or less, the SOC can thus be more accurately determined. However, the temperature determination becomes increasingly inaccurate, because although the temperature dependence of the impedance also increases, but the influence of SOC and SOH can not be eliminated, as is the case at the high frequencies.
In einer bevorzugten Ausführungsform können zur Verbesserung der Genauigkeit Messungen mit mehreren Frequenzen durchgeführt werden. Aus einer ersten Messung bei hoher Frequenz, beispielsweise 1 kHz bis 5 kHz, kann eine genaue Temperaturbestimmung und eine grobe Bestimmung des SOC vorgenommen werden. Mit einer zweiten Messung bei niedriger Frequenz, beispielsweise 10 bis 500 Hz und unter Einbeziehung der in der ersten Messung bestimmten Temperatur kann anschließend der SOC genau bestimmt werden.In a preferred embodiment, multiple frequency measurements may be performed to improve accuracy. From a first measurement at high frequency, for example 1 kHz to 5 kHz, an accurate temperature determination and a rough determination of the SOC can be made. With a second measurement at low frequency, for example 10 to 500 Hz and including the temperature determined in the first measurement, the SOC can then be determined exactly.
Ermittlung von T und SOCDetermination of T and SOC
Im erfindungsgemäßen Verfahren werden T und SOC als diejenigen Werte bestimmt, bei denen ΔA = A-Aref (T, SOC) und ΔB=B-Bref (T, SOC) gleichzeitig minimal werden, was insbesondere den Fall beinhaltet, dass ΔA und ΔB gleichzeitig null sind.In the method according to the invention, T and SOC are determined as those values at which ΔA = AA ref (T, SOC) and ΔB = BB ref (T, SOC) become simultaneously minimal, which in particular implies the case where ΔA and ΔB are simultaneously zero ,
Wie in den
Im einfachsten Fall beinhaltet das erfindungsgemäße Verfahren lediglich die Messung von zwei Impedanzwerten A und B. In diesem Fall schneiden sich die Isolinien typischerweise nur in einem Punkt, d.h. es gibt ein Wertepaar für T und SOC, für das ΔA = 0 = ΔB gilt. Zur Verbesserung der Genauigkeit sollte dieser Schnitt der Isolinien möglichst steil verlaufen. In the simplest case, the method according to the invention only involves the measurement of two impedance values A and B. In this case, the isolines typically only intersect at one point, ie there is a value pair for T and SOC for which ΔA = 0 = ΔB. To improve accuracy, this section of the isolines should be as steep as possible.
So kann A der Realteil und B der Imaginärteil der Impedanz bei einer Frequenz f1 mit möglichst stark unterschiedlichem Verlauf der Isolinien sein, beispielsweise im Bereich von 10 bis 1kHz.
Alternativ kann A der Realteil oder der Betrag der Impedanz bei einer Frequenz f1 mit schwacher SOC-Abhängigkeit sein, beispielsweise im Bereich von 1kHz oder mehr, und B kann der Realteil oder der Betrag in einem Frequenzbereich f2 mit starker SOC-Abhängigkeit sein, beispielsweise 10 bis 500 Hz. Vorzugsweise ist f1 mindestens 500 Hz höher als f2.Alternatively, A may be the real part or the magnitude of the impedance at a frequency f1 with weak SOC dependency, for example in the range of 1kHz or more, and B may be the real part or the amount in a frequency range f2 with strong SOC dependency, for example 10 to 500 Hz. Preferably, f1 is at least 500 Hz higher than f2.
In diesem Fall weicht die Isolinie für A nur wenig von der Parallelen zur SOC-Achse ab, d.h. der abgedeckte Temperaturbereich ΔT im Intervall von 0 bis 100% SOC ist gering, beispielsweise 5°C oder weniger. B hat hingegen einen steileren Winkel zur SOC-Achse (und damit auch zur Isolinie für A) und deckt beispielsweise einen ΔT-Bereich von 20-30°C ab, wie in
Zur Verbesserung der Messgenauigkeit ist es auch möglich, mehrere B-Werte einzusetzen, beispielsweise als ersten B-Wert den Imaginärteil bzw. die Phase bei der Frequenz f1 des A-Wertes, sowie zusätzlich als B-Werte den Realteil bzw. Betrag und/oder den Imaginärteil bzw. die Phase bei einer oder mehreren weiteren Frequenzen f2.To improve the measurement accuracy, it is also possible to use several B values, for example the imaginary part or the phase at the frequency f1 of the A value as the first B value, as well as the real part or magnitude and / or B values the imaginary part or the phase at one or more further frequencies f2.
Bei der Projektion der A- und B-Werte in die T-SOC-Ebene werden dementsprechend mehr als zwei Isolinien erhalten, die sich in der Praxis nicht mehr alle in einem Punkt schneiden müssen. In diesem Fall stellt die Ermittlung von T und SOC eine numerische Optimierungsaufgabe dar, die die gleichzeitige Minimierung von ΔA und aller ΔB beinhaltet. Hierbei können für die Minimierung auch unterschiedliche Gütekriterien zum Einsatz kommen, beispielsweise kann das ΔA oder ΔB mit der größten T-Abhängigkeit und/oder der schwächsten SOC-Abhängigkeit im Hinblick auf die Optimierung des T-Wertes am stärksten gewichtet werden.When projecting the A and B values into the T-SOC level, more than two isolines are obtained, which in practice no longer have to intersect in one point. In this case, the determination of T and SOC represents a numerical optimization task involving the simultaneous minimization of ΔA and all ΔB. Different quality criteria can also be used for the minimization, for example the ΔA or ΔB with the largest T-dependency and / or the weakest SOC dependency can be most heavily weighted with regard to optimizing the T-value.
Beispielsweise kann die Summe der Abweichungsquadrate von A und den verschiedenen B-Werten B1, B2, etc., minimiert werden:
Hierbei stellen a, b1 etc., die optionalen Gewichtungsfaktoren dar.Here, a, b 1, etc. represent the optional weighting factors.
Vorrichtung zur Durchführung des VerfahrensApparatus for carrying out the method
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst zumindest die folgenden Bestandteile:
- - einen Signalgenerator zur Erzeugung eines Anregungssignals in einer oder mehreren Frequenzen f1 bzw. f2, das an die Zelle angelegt wird;
- - eine Messeinheit zur Messung des durch das Anregungssignal verursachten Antwortsignals;
- - eine Auswertungseinheit zur Bestimmung der Impedanzwerte A und B aus dem im Signalgenerator erzeugten Anregungssignal und dem in der Messeinheit gemessenen Antwortsignals;
- - eine Einheit zur Bereitstellung von Referenzdaten für A und B in Abhängigkeit von SOC und T;
- - ein Einheit, das dafür eingerichtet ist, aus den in der Auswertungseinheit bestimmten Impedanzwerten A und B und den bereitgestellten Referenzdaten SOC und T zu bestimmen.
- a signal generator for generating an excitation signal in one or more frequencies f1 or f2, which is applied to the cell;
- a measuring unit for measuring the response signal caused by the excitation signal;
- an evaluation unit for determining the impedance values A and B from the excitation signal generated in the signal generator and the response signal measured in the measuring unit;
- a unit for providing reference data for A and B as a function of SOC and T;
- a unit adapted to determine from the impedance values A and B determined in the evaluation unit and the reference data SOC and T provided.
Vorzugsweise ist diese Vorrichtung Bestandteil eines Batteriesystems, insbesondere eines Batteriesystems für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug.Preferably, this device is part of a battery system, in particular a battery system for an electrically operated vehicle.
In einem solchen Batteriesystem sind die Zellen typischerweise seriell und/oder parallel zu Batteriepacks verschaltet und jeweils mit einer Zellüberwachungseinheit (CSC) verbunden, die zumindest die Zellspannung überwacht und auch den Ladungsausgleich (Balancing) steuert. Hierbei kann jede einzelne Zelle mit einer Zellüberwachungseinheit versehen sein, oder es kann eine Mehrzahl von Zellen mit einer Zellüberwachungseinheit verbunden sein. Diese kann mehrere Eingangskanäle zur Spannungsmessung aufweisen, um die mit ihr verbundenen Zellen gleichzeitig überwachen zu können, oder die Überwachung kann über ein Multiplexverfahren erfolgen. Die Gesamtheit der Zellen und Zellüberwachungseinheiten wird wiederum von einer Batteriemanagementeinheit (BMS) überwacht.In such a battery system, the cells are typically connected in series and / or parallel to battery packs and each connected to a cell monitoring unit (CSC) which monitors at least the cell voltage and also controls the charge balancing. In this case, each individual cell can be provided with a cell monitoring unit, or a plurality of cells can be connected to a cell monitoring unit. This can have several input channels for voltage measurement in order to be able to monitor the cells connected to it at the same time, or the monitoring can take place via a multiplex method. The whole of the cells and cell monitoring units is in turn monitored by a battery management unit (BMS).
Eine Impedanzmessung erfordert grundsätzlich die Ausübung eines Anregungssignals (typischerweise ein Wechselstromsignal I(t) = I0 * eiωt), die Aufnahme des Antwortsignals (typischerweise als Spannungssignal U(t) = Uo * eiωt + ϕ sowie die Berechnung der komplexen Impedanz Z = U(t)/I(t) = (Uo/Io) * eiϕ.An impedance measurement basically requires the application of an excitation signal (typically an AC signal I (t) = I 0 * e iωt ), the recording of the response signal (typically as Voltage signal U (t) = Uo * e iωt + φ and the calculation of the complex impedance Z = U (t) / I (t) = (Uo / Io) * e iφ .
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der Signalgenerator zur Erzeugung des Anregungssignals in der Zellüberwachungseinheit integriert werden, die beispielsweise ein Wechselstromsignal auf den Balancing-Strom aufprägt. Alternativ kann das Anregungssignal global von außen auf den aufmoduliert werden. Die Messung des Antwortsignals erfolgt zweckmäßigerweise durch die Zellüberwachungseinheit.In the device according to the invention, the signal generator for generating the excitation signal can be integrated in the cell monitoring unit, which, for example, impresses an alternating current signal on the balancing current. Alternatively, the excitation signal can be globally modulated onto the outside of it. The measurement of the response signal is expediently carried out by the cell monitoring unit.
Die Berechnung der Impedanz aus dem Strom- und Spannungssignal, der Vergleich mit den Referenzdaten und die Bestimmung von T und SOC können ebenfalls in der Zellüberwachungseinheit erfolgen, oder sie können teilweise oder vollständig durch ein anderes Steuergerät durchgeführt werden, beispielsweise die Batteriemanagementeinheit.The calculation of the impedance from the current and voltage signal, the comparison with the reference data and the determination of T and SOC may also be done in the cell monitoring unit, or they may be performed partially or completely by another controller, for example the battery management unit.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Einheit zur Bereitstellung der Referenzdaten. Diese kann einen Datenspeicher umfassen, in dem die Werte für A und B in Abhängigkeit von SOC und T als Tabelle (LUT) hinterlegt sind, und aus dem die erforderlichen Referenzdaten ausgelesen bzw. interpoliert werden können. Alternativ kann die Einheit einen Rechner umfassen, der geeignet programmiert ist, um die Referenzdaten auf Basis eines Impedanzmodells mit vorbekannten Parametern zu berechnen. Die Einheit zur Bereitstellung der Referenzdaten kann ebenfalls in die Zellüberwachungseinheit integriert sein. Vorzugsweise wird diese Funktion jedoch von der Batteriemanagementeinheit übernommen.The device further comprises a unit for providing the reference data. This can include a data memory in which the values for A and B are stored as a function of SOC and T as a table (LUT), and from which the required reference data can be read out or interpolated. Alternatively, the unit may comprise a computer suitably programmed to calculate the reference data based on an impedance model having previously known parameters. The unit for providing the reference data may also be integrated into the cell monitoring unit. Preferably, however, this function is taken over by the battery management unit.
Als Einheit zur Ermittlung von T und SOC können ebenfalls sowohl die Zellüberwachungseinheit als auch die Batteriemanagementeinheit eingesetzt werden, wobei letzteres bevorzugt ist.As a unit for determining T and SOC, both the cell monitoring unit and the battery management unit can be used, the latter being preferred.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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