DE102018210883A1

DE102018210883A1 - Diagnoseverfahren für eine Mehrzahl von elektrisch parallel schaltbaren elektrochemischen Energiespeichern

Info

Publication number: DE102018210883A1
Application number: DE102018210883.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Gleiter; Joerg Nils Illig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-07-03
Filing date: 2018-07-03
Publication date: 2020-01-09

Abstract

Diagnoseverfahren für eine Mehrzahl von elektrisch parallel schaltbaren elektrochemischen Energiespeichern.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Diagnoseverfahren für eine Mehrzahl von elektrisch parallel geschalteten elektrochemischen Energiespeichern, einer elektrischen Energiespeichereinheit sowie einer Verwendung der elektrischen Energiespeichereinheit in einem Fahrzeug und/oder stationären Batteriesystem gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Die Druckschrift US 2013/166235 offenbart ein Verfahren zum Schätzen von Batterieparametern mittels eines Modells.
Zur Bestimmung von Alterungszuständen der Packkapazität (SOH-C) und des Packwiderstands (SOH-R) von elektrochemischen Energiespeichern verwenden Algorithmen gemäß dem Stand der Technik Messgrößen wie elektrischen Strom, elektrische Spannung und/oder Temperaturen der Energiespeicher. Üblicherweise werden Alterungszustände des Packwiderstands anhand eines Einbruchs der elektrischen Spannung bei Belastungspulsen bestimmt. Alterungszustände der Packkapazität werden durch Stromintegration und einen daraus resultierenden Unterschied eines Ladezustands (SOC) während einer nicht Ladezustand-neutralen Benutzung des elektrochemischen Energiespeichers berechnet.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung den Stand der Technik weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche weist demgegenüber folgende vorteilhafte Schritte auf:

a) Erfassen eines durch einen ersten Energiespeicher fließenden elektrischen Strom I₁ ;
b) Erfassen eines durch einen zweiten Energiespeicher fließenden elektrischen Strom I₂ ;
c) Bestimmen eines Kapazitätsverhältnisses $\frac{C_{1}}{C_{2}}$
einer ersten Kapazität C₁ des ersten Energiespeichers und einer zweiten Kapazität C₂ gemäß der Formel $\frac{C_{1}}{C_{2}} = \frac{I_{1}}{I_{2}};$
d) Bestimmen eines ersten Widerstandsverhältnisses $\frac{R_{1}}{R_{2}},$
t₁ zwischen einem ersten Innenwiderstand R₁ des ersten Energiespeichers und einem zweiten Innenwiderstand R₂ des zweiten Energiespeichers zu einem Zeitpunkt t₁ gemäß der Formel $\frac{R_{1}}{R_{2}}, t_{1} = \frac{I_{2}}{I_{1}}$
e) Bestimmen eines zweiten Widerstandsverhältnisses $\frac{R_{1}}{R_{2}},$
t₂ zu einem vom Zeitpunkt t₁ verschiedenen Zeitpunkt t₂ anhand eines Verhältnisses der erfassten elektrischen Ströme I₁ , I₂ und einem zwischen dem ersten und dem zweiten Energiespeicher fließenden Ausgleichsstrom I_A gemäß der Formel $\frac{R_{1}}{R_{2}}, t_{2} = \frac{I_{2} (t < t 2) - I_{a} (t > t2)}{I_{1} (t < t2) - I_{a} (t > t2)};$
f) Plausibilisieren des bestimmen Kapazitätsverhältnisses $\frac{C_{1}}{C_{2}}$
anhand des ersten Widerstandsverhältnisses $\frac{R_{1}}{R_{2}},$
t₁ und/oder des zweiten Widerstandsverhältnisses $\frac{R_{1}}{R_{2}},$
t₂ , wobei das Kapazitätsverhältnis $\frac{C_{1}}{C_{2}}$
plausibel ist, wenn das Verhältnis $\frac{C_{1}}{C_{2}} \sim \frac{1}{\frac{R_{1}}{R_{2}}}$
im Wesentlichen erfüllt ist.

Dadurch können Alterungszustände der Packkapazität und Alterungszustände des Packwiderstands plausibilisiert werden und dadurch die Güte einer Schätzung der Alterungszustände erhöht werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das Diagnoseverfahren umfasst ferner folgenden Schritt:

g) Überprüfen einer Gültigkeit der gemäß Schritt f) durchgeführten Plausibilisierung im Betrieb der elektrischen Energiespeicher durch Überwachen einer Änderung des Verhältnisses $\frac{C_{1}}{C_{2}} = \frac{I_{1}}{I_{2}}$
während Belastungsphasen der elektrischen Energiespeicher.

Eine elektrische Energiespeichereinheit umfasst mindestens einen Stromsensor sowie mindestens ein Mittel, insbesondere ein elektronisches Batteriemanagementsteuergerät, welche eingerichtet sind, die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
Vorteilhafterweise wird die elektrische Energiespeichereinheit in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen einschließlich Hybridfahrzeugen, in stationären elektrischen Energiespeicheranlagen, in elektrisch betriebenen Handwerkzeugen, in portablen Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung sowie in Haushaltsgeräten verwendet.
Ein Computerprogramm umfasst Befehle, die bewirken, dass die elektrische Energiespeichereinheit die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens ausführt.
Das Computerprogramm ist vorteilhafterwiese auf einem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert.
Vorteilhafterweise ist die elektrochemische Energiespeichereinheit eine Lithium-Ionen-, Lithium-Schwefel-, Lithium-Luft-Batterie und/oder eine Batterie mit einem Feststoffelektrolyten.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine beispielhafte Darstellung eines Spannungsverlaufs bei Parallelschaltung von elektrochemischen Energiespeichern; und
2 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens; und
3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichereinheit.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten.
1 zeigt eine beispielhafte Darstellung eines Spannungsverlaufs bei Parallelschaltung von elektrochemischen Energiespeichern. Bei ungleichen Innenwiderständen teilt sich der elektrische Strom I₁ , I₂ zu Beginn eines Pulses, beispielsweise eines rechteckigen Strompulses in Richtung einer elektrischen Maschine zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ , entsprechend der beiden Widerstände auf, was einen elektrischen Ausgleichsstrom I_A zur Folge hat. Zu zwei voneinander verschiedenen Zeitpunkten lässt sich das Verhältnis der Widerstände aus den Einzelstrommessungen bestimmen.
Weiter sind in der Darstellung 100 die Zellspannungen 110a, 110b und Leelaufspannungen 102a, 102b eines ersten und eines zweiten elektrochemischen Energiespeichers dargestellt.
Für den Fall, dass die kapazitätsspezifischen Innenwiderstände der Packs gleich sind, d.h. C₂ * R₁ = C₂ * R₂ teilen sich die elektrischen Ströme durch die elektrochemischen Energiespeicher gemäß einer jeweiligen Kapazität auf, d.h. die Stromverhältnisse spiegeln die Kapazitätsverhältnisse der Pack wieder $\frac{C_{1}}{C_{2}} = \frac{I_{1}}{I_{2}} .$
Durch diese Stromaufteilung entsteht zwischen den beiden Packs kein Unterschied im Ladezustand und es fließen somit keine Ausgleichsströme.
Zu einem Zeitpunkt t₁ lässt sich das Widerstandsverhältnis wie folgt bestimmen: $U_{1} (t > t_{1}) = U_{O C V,1} + R_{1} * I_{1}$
$U_{2} (t > t_{1}) = U_{O C V,2} + R_{2} * I_{2}$
$U_{O C V,1} + R_{1} * I_{1} = U_{O C V,2} + R_{2} * I_{2}$
Für kurze Zeitspannen am Anfang des Pulses ist die Annahme U_OCV,1 = U_OCV,2 gültig, woraus R₁ * I₁ = R₂ * I₂ und $\frac{R_{1}}{R_{2}}, t_{1} = \frac{I_{2}}{I_{1}}$
folgt.
Zu einem Zeitpunkt t₂ lässt sich das Widerstandsverhältnis wie folgt bestimmen: $U_{P a c k 1} (t < t_{2}) - U_{P a c k 1} (t > t_{2}) = R_{1} * (I_{1} (t < t_{2}) - I_{A 1} (t > t_{2}))$
$U_{P a c k 2} (t < t_{2}) - U_{P a c k 2} (t > t_{2}) = R_{2} * (I_{2} (t < t_{2}) - I_{A 1} (t > t_{2}))$
$R_{1} * (I_{1} (t < t_{2}) - I_{A} (t > t_{2})) = R_{2} * (I_{2} (t < t_{2}) - I_{A} (t > t_{2}))$
$\frac{R_{1}}{R_{2}}, t_{2} = \frac{I_{2} (t < t2) - I_{A} (t > t2)}{I_{1} (t < t2) - I_{A} (t > t2)}$
Die Bestimmung des Widerstandsverhältnisses $\frac{R_{1}}{R_{2}}$
auf diese Art gilt unabhängig vom Kapazitätsverhältnis und kann zur Plausibilisierung des invers proportionalen Kapazitätsverhältnis $\frac{C_{1}}{C_{2}} \sim \frac{1}{\frac{R_{1}}{R_{2}}}$
genutzt werden.
Eine Gültigkeit der durchgeführten Plausibilisierung im Betrieb der elektrischen Energiespeicher kann durch Überwachen einer Änderung des Verhältnisses $\frac{C_{1}}{C_{2}} = \frac{I_{1}}{I_{2}}$
während Belastungsphasen der elektrischen Energiespeicher überprüft werden.
2 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens. In Schritt 200 wird das erfindungsgemäße Verfahren gestartet.
In Schritt 210 wird ein durch einen ersten Energiespeicher fließenden elektrischen Strom I₁ erfasst.
In Schritt 220 wird ein durch einen zweiten Energiespeicher fließenden elektrischen Strom I₂ erfasst.
In Schritt 230 wird ein Kapazitätsverhältnis einer ersten Kapazität C₁ des ersten Energiespeichers und einer zweiten Kapazität C₂ gemäß der Formel $\frac{C_{1}}{C_{2}} = \frac{I_{1}}{I_{2}}$
bestimmt.
In Schritt 240 wird ein erstes Widerstandsverhältnis $\frac{R_{1}}{R_{2}}, t_{1}$
zwischen einem ersten Innenwiderstand R₁ des ersten Energiespeichers und einem zweiten Innenwiderstand R₂ des zweiten Energiespeichers zu einem Zeitpunkt t₁ gemäß der Formel $\frac{R_{1}}{R_{2}}, t_{1} = \frac{I_{2}}{I_{1}}$
bestimmt.
In Schritt 250 wird ein zweites Widerstandsverhältnis $\frac{R_{1}}{R_{2}},$
t₂ zu einem vom Zeitpunkt t₁ verschiedenen Zeitpunkt t₂ anhand eines Verhältnisses der erfassten elektrischen Ströme I₁ , I₂ und einem zwischen dem ersten und dem zweiten Energiespeicher fließenden Ausgleichsstrom I_A gemäß der Formel $\frac{R_{1}}{R_{2}}, t_{2} = \frac{I_{2} (t < t2) - I_{A} (t > t2)}{I_{1}_{} (t < t2) - I_{A} (t > t2)}$
bestimmt.
In Schritt 260 wird das bestimme Kapazitätsverhältnis $\frac{C_{1}}{C_{2}}$
anhand des ersten Widerstandsverhältnisses $\frac{R_{1}}{R_{2}},$
t₁ und/oder des zweiten Widerstandsverhältnisses $\frac{R_{1}}{R_{2}},$
t₂ plausibilisiert, wobei das Kapazitätsverhältnis $\frac{C_{1}}{C_{2}}$
plausibel ist, wenn das Verhältnis $\frac{C_{1}}{C_{2}} \sim \frac{1}{\frac{R_{1}}{R_{2}}}$
im Wesentlichen erfüllt ist.
Ist das Kapazitätsverhältnis $\frac{C_{1}}{C_{2}}$
nicht plausibel, wird das Verfahren in Schritt 280 beendet und ein Signal erzeugt.
Wenn das Kapazitätsverhältnis $\frac{C_{1}}{C_{2}}$
plausibel ist, wird in Schritt 260 eine Gültigkeit der gemäß Schritt 260 durchgeführten Plausibilisierung im Betrieb der elektrischen Energiespeicher durch Überwachen einer Änderung des Verhältnisses $\frac{C_{1}}{C_{2}} = \frac{I_{1}}{I_{2}}$
während Belastungsphasen der elektrischen Energiespeicher überprüft.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichereinheit. Die Energiespeichereinheit 300 umfasst einen ersten elektrochemischen Energiespeicher 330 und einen zweiten elektrochemischen Energiespeicher 340 sowie einen ersten und zweiten Stromsensor 350, 360 zur Erfassung eines durch den ersten Energiespeicher 330 bzw. den zweiten Energiespeicher 340 fließenden elektrischen Stroms. Ferner sind Schalter 370a, 370b, 370c, 380, 390, insbesondere Halbleiterschalter, zum elektrischen Zu- und/oder Abschalten bzw. zum in Serie und/oder Parallelschalten der Energiespeicher 330, 340 von Anschlusspolen 310a, 310b der Energiespeichereinheit 300 vorgesehen. Ferner umfasst die Energiespeichereinheit 300 ein elektronisches Batteriemanagementsteuergerät, welches kabellos und/oder kabelgebunden mit den Stromsensoren 350, 360 zur Erfassung des fließenden Stroms sowie den Schaltern 370a, 370b, 370c, 380, 390 zum Schließen und/oder Öffnen verbunden ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2013166235 [0002]

Claims

Diagnoseverfahren für eine Mehrzahl von elektrisch parallel schaltbaren elektrochemischen Energiespeichern, umfassend folgende Schritte: a) Erfassen eines durch einen ersten Energiespeicher fließenden elektrischen Strom I₁; b) Erfassen eines durch einen zweiten Energiespeicher fließenden elektrischen Strom I₂; c) Bestimmen eines Kapazitätsverhältnisses $\frac{C_{1}}{C_{2}}$
einer ersten Kapazität C₁ des ersten Energiespeichers und einer zweiten Kapazität C₂ gemäß der Formel $\frac{C_{1}}{C_{2}} = \frac{I_{1}}{I_{2}};$
d) Bestimmen eines ersten Widerstandsverhältnisses $\frac{R_{1}}{R_{2}},$
t₁ zwischen einem ersten Innenwiderstand R₁ des ersten Energiespeichers und einem zweiten Innenwiderstand R₂ des zweiten Energiespeichers zu einem Zeitpunkt t₁ gemäß der Formel $\frac{R_{1}}{R_{2}}, t_{1} = \frac{I_{2}}{I_{1}}$
e) Bestimmen eines zweiten Widerstandsverhältnisses $\frac{R_{1}}{R_{2}},$
t₂ zu einem vom Zeitpunkt t₁ verschiedenen Zeitpunkt t₂ anhand eines Verhältnisses der erfassten elektrischen Ströme I₁, I₂ und einem zwischen dem ersten und dem zweiten Energiespeicher fließenden Ausgleichsstrom I_A gemäß der Formel $\frac{R_{1}}{R_{2}}, t_{2} = \frac{I_{2} (t < t2) - I_{A} (t > t2)}{I_{1} (t < t2) - I_{A} (t > t2)};$
f) Plausibilisieren des bestimmen Kapazitätsverhältnisses $\frac{C_{1}}{C_{2}}$
anhand des ersten Widerstandsverhältnisses $\frac{R_{1}}{R_{2}},$
t₁ und/oder des zweiten Widerstandsverhältnisses $\frac{R_{1}}{R_{2}}, t_{2},$
wobei das Kapazitätsverhältnis $\frac{C_{1}}{C_{2}}$
plausibel ist, wenn das Verhältnis $\frac{C_{1}}{C_{2}} \sim \frac{1}{\frac{R_{1}}{R_{2}}}$
im Wesentlichen erfüllt ist.
Diagnoseverfahren nach Anspruch 1 ferner umfassend folgenden Schritt: g) Überprüfen einer Gültigkeit der gemäß Schritt f) durchgeführten Plausibilisierung im Betrieb der elektrischen Energiespeicher durch Überwachen einer Änderung des Verhältnisses $\frac{C_{1}}{C_{2}} = \frac{I_{1}}{I_{2}}$
während Belastungsphasen der elektrischen Energiespeicher.
Elektrochemische Energiespeichereinheit, umfassend mindestens einen Stromsensor sowie mindestens ein Mittel, insbesondere ein elektronisches Batteriemanagementsteuergerät, welche eingerichtet sind, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2 durchzuführen.
Verwendung einer elektrischen Energiespeichereinheit gemäß Anspruch 3 in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen einschließlich Hybridfahrzeugen, in stationären elektrischen Energiespeicheranlagen, in elektrisch betriebenen Handwerkzeugen, in portablen Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung sowie in Haushaltsgeräten.
Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass die elektrische Energiespeichereinheit nach Anspruch 3 die Verfahrensschritte des Diagnoseverfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2 ausführt.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 5 gespeichert ist.