DE102019102472B4

DE102019102472B4 - Verfahren zum Ermitteln von Parameterwerten eines Modells einer elektrochemischen Zelle einer Batteriezelle in einer Batterie eines Kraftfahrzeugs sowie Steuervorrichtung und Kraftfahrzeug-Batterie

Info

Publication number: DE102019102472B4
Application number: DE102019102472.2A
Authority: DE
Inventors: Michael Hinterberger; Bernhard Liebhart; Christian Endisch; Tobias Buchberger
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2019-01-31
Publication date: 2020-09-03
Anticipated expiration: 2039-02-01
Also published as: DE102019102472A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Parameterwerten (25) eines Modells (10) einer elektrochemischen Zelle (21) einer schaltbaren Batteriezelle (18) in einer Batterie (12) eines Kraftfahrzeugs (11), wobei die schaltbare Batteriezelle (18) zumindest ein Schaltelement (A, B, C) aufweist. Die Erfindung sieht vor, dass das jeweilige Schaltelement (A, B, C) durch eine Steuervorrichtung (24) gemäß einer vorbestimmten Schaltfunktion (G) geschaltet wird und mittels des Schaltens ein durch die Schaltfunktion (G) vorgegebener zeitlicher Anregungsverlauf (27) einer Stromstärke eines Zellstromes (I) der elektrochemischen Zelle (21) verändert wird, wobei der Anregungsverlauf (27) gleichzeitig Frequenzanteile bei mehreren Anregungsfrequenzen (f) aufweist, und mittels einer Messeinrichtung (29) der Batteriezelle (21) ein zeitlicher Antwortverlauf (28) einer elektrischen Zellspannung (U) der elektrochemischen Zelle (21) erfasst wird und aus dem Anregungsverlauf (27) und dem Antwortverlauf (28) mittels einer vorbestimmten Berechnungsvorschrift (F) die Parameterwerte (25) ermittelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Parameterwerten eines Modells, welches für eine Batteriezelle einer Kraftfahrzeug-Batterie deren elektrochemische Zelle oder galvanische Zelle modelliert oder beschreibt. Die Batteriezelle ist hierbei schaltbar ausgestaltet, das heißt es befindet sich zumindest ein Schaltelement innerhalb der Batteriezelle, also z.B. innerhalb von deren Gehäuse. Zu der Erfindung gehören auch eine Steuervorrichtung für eine Batteriezelle, um das zumindest eine Schaltelement der Batteriezelle ansteuern zu können. Schließlich umfasst die Erfindung auch eine Kraftfahrzeug-Batterie, die schaltbare Batteriezellen und die erfindungsgemäße Steuervorrichtung aufweist.
Um in einem Kraftfahrzeug abschätzen oder vorhersagen zu können, wie leistungsfähig eine elektrische Batterie noch ist, insbesondere eine Traktionsbatterie oder Hochvoltbatterie (Hochvolt = elektrische Spannung größer als 60 Volt), kann vorgesehen sein, die Batteriezellen der Batterie mittels eines digitalen Modells nachzubilden, um dann auf der Grundlage des Modells beispielsweise mittels einer Simulation abschätzen zu können, wie die jeweilige Batteriezelle auf einen bestimmten Belastungsvorgang oder ein Lastszenario oder einen Ladevorgang reagieren wird.
Denn die elektrochemisch Zelle in einer Batteriezelle ist keine ideale Spannungsquelle, sondern vielmehr ein elektrochemisches System, das durch interne Widerstände und durch dynamische Prozesse (beispielsweise Umladevorgänge an Oberflächen) nur eine begrenzte Energie und Leistung zur Verfügung stellen kann. Ein wesentlicher Bestandteil bei der Untersuchung einer Batteriezelle ist deshalb die Modellbildung und Simulation, die aber bisher mit großem Aufwand meist durch Referenzmessungen im Labor erfolgt.
Eine gängige Art der Modellierung ist die impedanzbasierte Beschreibung, zu deren Erläuterung im Folgenden auf 1 verwiesen wird, die ein elektrisches Ersatzschaltbild 10 einer elektrochemischen Zelle oder galvanischen Zelle darstellt. Dargestellt ist, dass zwar eine ladezustands-abhängige Ruhespannungsquelle Uocv als ideale Spannungsquelle repräsentiert werden kann, dazu aber noch ein induktives Element L, ein kapazitives Element C1 und resistive Elemente R0, R1 in der dargestellten Verschaltung in dem Modell notwendig sein können, um elektrische Zellcharakteristika korrekt zu beschreiben oder zumindest zu approximieren. Nur dann kann ein solches Modell 10 auch in einem Kraftfahrzeug (onboard), insbesondere in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, zur Steuerung und/oder Regelung der Fahrantriebskomponenten eingesetzt werden. Parameterwerte in einem Modell 10 können in dem in 1 gezeigten Modell sein: Uocv, L, C1, R0, R1 oder eine Teilmenge oder Vielfache davon. Hierzu sind unterschiedliche Batteriemodelle verfügbar. Mit einem korrekt parametrierten Modell 10 können dann Aussagen über das Verhalten der Batteriezelle getroffen werden, was beispielsweise eine Erhöhung der Genauigkeit bei der Leistungsprädiktion zur Folge hat.
Die Parameterwerte des Modells 10 (zum Beispiel Uocv, L, R0, R1 und/oder C1) ändern sich aber im Betrieb, unter anderem durch Temperatur, Alterung und/oder mechanischen Einfluss. Diese Änderung im Betrieb zu erfassen, gestaltet sich als sehr schwierig, da zusätzlicher Aufwand erforderlich ist, um die Parameterwerte des Modells 10 mit einer vorgegebenen Genauigkeit schätzen zu können.
Hierzu ist aus dem Stand der Technik bekannt, eine elektrochemische Zelle mit einem elektrischen Anregungssignal anzuregen und dann zu beobachten, welches Antwortsignal sich für die elektrochemische Zelle ergibt. Wird dies für mehrere Anregungsfrequenzen durchgeführt, so ergeben sich hieraus Messwerte, auf deren Grundlage die Parameterwerte geschätzt werden können.
So ist hierzu aus der EP 2 530 480 A2 bekannt, bei einer schaltbaren Batteriezelle, in welche in einem Balancing-Bypasszweig ein Schaltelement angeordnet ist, mittels dieses Schaltelements und einem Tiefpassfilter die elektrochemische Zelle der Batteriezelle mit einem sinusförmigen Balancing-Strom zu belasten, dessen Frequenz mittels eines Sinusgenerators eingestellt wird. Wird diese Messung bei unterschiedlichen Frequenzen mehrfach hintereinander durchgeführt, so können dann aus den Messergebnissen die Parameterwerte für ein Modell geschätzt werden. Nachteilig bei dieser Methode ist, dass nacheinander mehrere unterschiedliche, sinusförmige Anregungssignale erzeugt werden müssen, was die Dauer der Parameterschätzung vergrößern kann.
Auch aus der CN 106 093 583 A ist bekannt, zum Ermitteln von Parameterwerten eines Modells einer elektrochemischen Zelle ein sinusförmiges Anregungssignal zu nutzen. Somit ergibt sich auch hier bei dem Bedarf, mehrere unterschiedliche Anregungsfrequenzen zu verwenden, dass nacheinander mehrere unterschiedliche sinusförmige Anregungssignale erzeugt werden müssen.
Aus der US 2016 / 0 061 901 A1 ist bekannt, als Parameterwert für eine elektrochemische Zelle nur den ohmschen Anteil, also den elektrischen Widerstandswert, zu messen. Somit fehlt es hier an der Information über die Impedanz der elektrochemischen Zelle, also den frequenzabhängigen Zusammenhang zwischen Zellstrom und Zellspannung.
Auch aus der CN 103 823 118 A1 ist bekannt, die Schätzung des Parameterwerts einer elektrochemischen Zelle auf den ohmschen Widerstandswert zu beschränken.
Aus der DE 10 2010 014 070 A1 ist ein Verfahren bekannt, auf einem Prüfstand für ein Hybrid-Antriebssystem eine Batterie mittels eines Modells bestehend aus elektrischen und frequenzabhängigen Komponenten zu simulieren. Das Modell bildet das Verhalten einer Batterie durch ein Ersatzschaltbild bestehend aus zwei mit einem Widerstand in Serie geschalteten RC-Kreisen ab. Für eine Simulation einer Batterie werden die Werte des Ersatzschaltbildes entsprechend parametriert. Nachteilig bei dem bekannten Verfahren ist, dass die Batterie als eine Einheit betrachtet wird und nicht als eine Menge von einzelnen, unabhängigen Batteriezellen.
Aus der DE 693 23 108 T2 ist ein Simulator für eine thermische Spannungsquelle bekannt, der den zeitlichen Verlauf einer Klemmenspannung der Spannungsquelle auf Basis des zeitlichen Verlaufs des Laststroms, des inneren Widerstands und einer elektromotorischen Kraft ausgibt. Nachteilig bei dem bekannten Verfahren ist, dass frequenzabhängige Komponenten für die Simulation nicht berücksichtigt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer Batterie eines Kraftfahrzeugs die Schätzung oder Ermittlung aktueller Parameterwerte eines Modells einer elektrochemischen Zelle zumindest einer Batteriezelle zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
Durch die Erfindung ist ein Verfahren zum Ermitteln von Parameterwerten eines Modells einer elektrochemischen Zelle beschrieben. Das Verfahren geht davon aus, dass sich die elektrochemische Zelle in einer Batteriezelle in einer Batterie eines Kraftfahrzeugs befindet. Im Folgenden wird zwischen der Batteriezelle als ganzer (auch bezeichnet als SmartCell, z.B. mit Schaltelementen) und der eigentlichen, darin angeordneten, elektrochemischen Zelle unterschieden. Die Batteriezelle ist also dasjenige Gerät, in welchem sich die elektrochemische Zelle befindet. Die Batteriezelle kann zwei elektrische Anschlüsse (Pluspol und Minuspol) aufweisen und die elektrochemische Zelle kann beispielsweise in einem Gehäuse der Batteriezelle angeordnet sein. Eine solche Batteriezelle kann insbesondere eine einzelne elektrochemische Zelle aufweisen. Die elektrochemische Zelle ist in der Batteriezelle mit den beiden elektrischen Anschlüssen verbunden. Hierdurch ergibt sich ein elektrischer Zweig, der hier als Zellzweig bezeichnet ist. Mit anderen Worten wird also die elektrochemische Zelle in dem Zellzweig betrieben, der die zwei elektrischen Anschlüsse der Batteriezelle verbindet. Die Batteriezelle ist schaltbar, das heißt in dem Zellzweig und/oder in zumindest einem Bypasszweig, der jeweils die Anschlüsse der Batteriezelle unter Umgehung der elektrochemischen Zelle verbindet, ist jeweils ein Schaltelement bereitgestellt. Ein solches Schaltelement kann beispielsweise auf einem Transistor, insbesondere einem Feldeffekttransistor, basieren. Als Bypasszweig kann beispielsweise der eingangs beschriebene Balancing-Bypasszweig vorgesehen sein und/oder es kann sogar ein Kurzschluss-Bypasszweig vorgesehen sein, welcher die zwei elektrischen Anschlüsse (bei geschlossenem Schaltelement des Kurzschluss-Bypasszweigs) kurzschließt.
Um nun in der Batteriezelle die Parameterwerte für das Modell der elektrochemischen Zelle zu schätzen oder zu ermitteln, sieht die Erfindung vor, dass das jeweilige Schaltelement in dem Zellzweig und/oder in zumindest einem Bypasszweig durch eine Steuervorrichtung gemäß einer vorbestimmten Schaltfunktion geschaltet wird. Mittels des Schaltens wird ein zeitlicher Verlauf einer Stromstärke eines Zellstroms der elektrochemischen Zelle verändert oder eingestellt. Dieser zeitliche Verlauf wird hier als Anregungsverlauf bezeichnet, da es sich bei der veränderten oder variierten Stromstärke um ein Anregungssignal handelt. Der zeitliche Verlauf wird durch die besagte Schaltfunktion vorgegeben. Die Schaltfunktion besagt, zu welchem Zeitpunkt das jeweilige Schaltelement elektrisch leitfähig geschaltet werden soll und zu welchem Zeitpunkt es elektrisch sperrend geschaltet werden soll.
Die Schaltfunktion ist dabei in der Weise ausgelegt, dass sich beim Schalten der Anregungsverlauf in der Weise ergibt, dass der Anregungsverlauf gleichzeitig Frequenzanteile bei mehreren Anregungsfrequenzen aufweist. Dazu wird der Anregungsverlauf nicht-monofrequent oder sinusförmig mittels der Schaltfunktion vorgegeben. Vielmehr weist der Anregungsverlauf ein Spektrum auf, in welchem mehr als eine Frequenz als Frequenzanteil vorhanden ist. Mittels einer Messeinrichtung der Batteriezelle wird ein zeitlicher Verlauf einer elektrischen Zellspannung und/oder eines Zellstroms der elektrochemischen Zelle erfasst. Dieser zeitliche Verlauf wird hier als Antwortverlauf bezeichnet, da es sich um das Antwortsignal der elektrochemischen Zelle handelt, wie es sich in Antwort auf den Anregungsverlauf der Stromstärke ergibt.
Aus dem Anregungsverlauf und dem Antwortverlauf werden dann mittels einer vorbestimmten Berechnungsvorschrift die Parameterwerte ermittelt. Die Berechnungsvorschrift berücksichtigt also, dass der Anregungsverlauf und damit auch der Antwortverlauf Frequenzanteile bei mehreren unterschiedlichen Anregungsfrequenzen aufweisen und berechnet darauf aufbauend sämtliche Parameterwerte. Die Berechnungsvorschrift kann hierzu beispielsweise auf einer Spektralanalyse beruhen, die beispielsweise mittels einer digitalen Fourier-Transformation realisiert sein kann. Die Steuervorrichtung kann zum Durchführen der Berechnungsvorschrift beispielsweise zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Signal Processor) aufweisen.
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass mittels einer einzelnen Messung auf Basis eines Anregungsverlaufs mit Frequenzanteilen bei mehreren Anregungsfrequenzen die Parameterwerte gemeinsam ermittelt werden können. Es ist somit nicht mehr notwendig, nacheinander eine sinusförmige Anregung bei mehreren unterschiedlichen Anregungsfrequenzen zu erzeugen, um auf die Parameterwerte zu kommen. Damit ist insbesondere im Betrieb des Kraftfahrzeugs nur eine kurze oder sogar gar keine Unterbrechung oder Beeinträchtigung des Betriebs der Batteriezelle notwendig, um die Parameterwerte neu schätzen oder ermitteln zu können. Als Parameterwerte können beispielsweise diejenigen des eingangs beschriebenen Modells oder eines anderen Modells geschätzt werden, oder allgemein Parameterwerte zum Beschreiben eines Übertragungsverhaltens der elektrochemischen Zelle (sogenannte Impulsantwort). Da das Verfahren auf Schaltelementen basiert, die mittels eines einfachen Steuersignals zwischen dem elektrisch leitfähigen und dem elektrisch sperrenden Zustand umgeschaltet werden, ist die Erzeugung des Anregungssignals oder Anregungsverlaufs technisch besonders einfach zu realisieren, insbesondere der multi-frequente Anregungsverlauf.
Das Schalten der Batteriezelle kann dennoch bedeuten, dass die Batteriezelle während des Schaltens nicht für den eigentlichen Betrieb des Kraftfahrzeugs genutzt werden kann, also zum Bereitstellen eines Batteriestroms der Batterie. Erfindungsgemäß ist deshalb vorgesehen, dass das Schalten synchron zu einem Schalten zumindest eines Schaltelements zumindest einer anderen Batteriezelle durchgeführt wird, wobei die jeweilige andere Batteriezelle gemäß einer Schaltfunktion geschaltet wird, die invers zu der Schaltfunktion der ersten oder zu vermessenden Batterie ist. Es gibt also eine Schaltfunktion und eine inverse Schaltfunktion. Wird also durch das Schalten die eine Batteriezelle abgeschaltet, wird die andere Batteriezelle zugeschaltet, außer sie war davor schon zugeschaltet, was eine andere Ausgangsleistung bewirkten würde. Will man wie in dieser Ausführungsform die Leistung immer konstant halten, sind insgesamt mehr Batteriezellen notwendig, da vorausgesetzt ist, dass zumindest während des Messverfahrens nicht alle Zellen belastet werden. Genauso kann beim Zuschalten einer Batteriezelle die andere Batteriezelle weggeschaltet oder abgeschaltet werden. Somit wird also mittels der inversen Schaltfunktion ein Zellstrom der anderen Batteriezelle eingestellt und zwar mit einem zu dem Anregungsverlauf inversen Anregungsverlauf. Der Anregungsverlauf und der inverse Anregungsverlauf ergeben insgesamt einen Batteriestrom der Batterie, der einen zeitlichen Verlauf aufweist, bei welchem sich der Anregungsverlauf und der inverse Anregungsverlauf gegenseitig kompensieren. Von außen, also an den Batterieanschlüssen der Batterie, ist somit der Messvorgang oder das Schalten oder das Ermitteln der Parameterwerte nicht zu erkennen, und damit auswirkungsfrei. Das Kraftfahrzeug kann mittels der Batterie also selbst dann weiter betrieben werden, wenn in einer Batteriezelle die Parameterwerte durch Schalten von dessen zumindest einen Schaltelement ermittelt werden.
Vom Zustand der einzelnen Batteriezellen kann dann auf den Zustand der Gesamtbatterie zurückgeschlossen werden.
Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
Eine Ausführungsform nutzt den inversen Anregungsverlauf in der zumindest einen anderen Batteriezelle auch, indem für die andere Batteriezelle auf der Grundlage des inversen Anregungsverlaufs ebenfalls Parameterwerte für die Anregungsfrequenzen ermittelt werden. Somit werden also für zumindest zwei Batteriezellen zugleich die Parameterwerte für deren Modelle ermittelt. Man kann bei mehr als einer anderen Batteriezelle somit auch gleichzeitig mehrere Batteriezellen zu- und wegschalten, was insgesamt die Leistungsfähigkeit verringert.
In einer Ausführungsform wird das Verändern des Zellstroms der elektrochemischen Zelle der zu prüfenden Batteriezelle während eines Betriebs des Kraftfahrzeugs durchgeführt. Der Betrieb umfasst hierbei eine Fahrt des Kraftfahrzeugs und/oder ein Aufladen der Batterie und/oder eine Rekuperation von Energie in die Batteriezelle. Das Kraftfahrzeug kann also gefahren werden und dennoch können währenddessen für das Modell dessen Parameterwert ermittelt werden. Die Nutzung der Phase des Aufladens und/oder der Rekuperation weist den besonderen Vorteil auf, dass die Stromrichtung des Zellstroms umgekehrt zu derjenigen Richtung ist, die sich während der Fahrt des Kraftfahrzeugs ergibt.
In einer Ausführungsform erfolgt durch die Schaltfunktion, gemäß welcher das zumindest eine Schaltelement in der Batteriezelle geschaltet wird, eine Stromunterbrechung und/oder eine Stromzuschaltung gemäß einer Sprungfunktion. Der Zellstrom wird also ausgeschaltet und/oder eingeschaltet, wobei natürlich diese beiden Schaltvorgänge zu unterschiedlichen Zeitpunkten stattfinden würden. Zum Schalten wird das jeweilige Schaltelement zwischen einem elektrisch sperrenden und einem elektrisch leitenden Zustand umgeschaltet. Das Umschalte erfolgt insbesondere einmalig. Die Verwendung einer Sprungfunktion weist den Vorteil auf, dass alle nötigen Frequenzinformationen vorhanden sind, um eine Impulsantwort und damit eine Übertragungsfunktion der elektrochemischen Zelle zu ermitteln. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass durch die Schaltfunktion die Stromstärke des Zellstroms mittels einer Modulation verändert wird. Die Modulation verhindert hierbei, dass es zu einer Stromunterbrechung des Zellstroms kommt, das heißt durch die Modulation wird der Stromfluss des Zellstroms beibehalten. Die Modulation kann mittels eines Rauschsignals und/oder eines Signals aus mehreren überlagerten Sinusfunktionen und/oder eines Signals einer vorbestimmten Maximalfolgensequenz (MLS - maximum length sequence) vorgegeben werden. Es kann aber auch ein anderes Anregungssignal genutzt werden, um die Modulation zu steuern. Durch die Modulation wird also dem Zellstrom eine Veränderung aufgeprägt, die ebenfalls Frequenzanteile bei den mehreren Anregungsfrequenzen enthalten kann. Es kann also beispielsweise ein von der elektrochemischen Zelle erzeugter Gleichstrom variiert oder moduliert werden, wobei beispielsweise die Veränderung kleiner als 50 Prozent, insbesondere kleiner als 30 Prozent, der Amplitude des Gleichstroms sein kann. Somit kann also auch während des Ermittelns der Parameterwerte die Batteriezelle für den Betrieb des Kraftfahrzeugs genutzt werden. Die Modulation kann mittels einer Pulsweitenmodulation erreicht werden. Das Modulieren kann beispielsweise mittels eines Schaltelements in einem Balancing-Bypasszweig erfolgen.
In einer Ausführungsform sieht die Schaltfunktion, mittels welcher das jeweilige Schaltelement in der Batteriezelle geschaltet wird, ein Abschalten des Zellstroms vor. Der Zellstrom wird also gemäß der Schaltfunktion unterbrochen oder beendet. Es ergibt sich somit eine Sprungfunktion mit fallender Flanke. Danach beträgt der Zellstrom 0 Ampere. Es kann vorteilhaft sein, die Stromstärke dennoch zu messen, da auch der Stromstärkewert vor dem Sprung/der Unterbrechung bei der Parameterbestimmung einbezogen werden sollte. Eventuell ist (insbesondere auch von der Verschaltung abhängig) allerdings kein Stromsensor auf Zellebene nötig, wenn der Zellstrom als Batteriestrom aus der Batterie herausgeführt wird und damit durch die Gesamtstrommessung der Batterie erfasst wird. Die Schaltfunktion kann alternativ dazu einen Strompuls vorsehen, in dem nacheinander der Zellstrom eingeschaltet und dann ausgeschaltet wird oder nacheinander der Zellstrom ausgeschaltet und dann wieder eingeschaltet wird, wobei zwischen diesen beiden Schaltvorgängen jeweils weniger als 100 Millisekunden liegen. Hierdurch ergibt sich ein Strompuls, der ausreicht, um direkt eine Annäherung an die Impulsantwort der elektrochemischen Zelle als Antwortverlauf zu ermitteln. Somit ist keine Umrechnung von einer Sprungantwort in die Impulsantwort notwendig.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Schaltelement geschaltet wird, das sich in dem Zellzweig selbst befindet. Somit wird also direkt der Zellstrom der elektrochemischen Zelle geschaltet. Zusätzlich oder alternativ dazu kann ein Schaltelement in einem Kurzschluss-Bypasszweig geschaltet werden, der für einen elektrischen Kurzschluss der beiden Anschlüsse vorgesehen ist. Somit kann der Zellstrom innerhalb der Batteriezelle über den Kurzschluss-Bypasszweig geführt werden. Damit ist für das Ermitteln der Parameterwerte kein Stromfluss außerhalb der Batteriezelle notwendig. Zusätzlich oder alternativ dazu kann ein Schaltelement in einem Balancing-Bypasszweig genutzt werden. Während ein Kurzschluss-Bypasszweig es ermöglicht, eine große Stromamplitude zu erzeugen, kann in einem Balancing-Bypasszweig, in welchem der Zellstrom über ein Balancing-Widerstandselement geführt ist, gedrosselt werden.
In einer Ausführungsform umfasst die besagte Berechnungsvorschrift, dass durch iteratives Anpassen der Parameterwerte des Modells ein Übertragungsverhalten des Modells (z.B. eine Impulsanwort mit den Parameterwerten als Funktionsparameter) für den Anregungsverlauf angepasst wird, bis ein Unterschied zwischen einem durch das Übertragungsverhalten bestimmten Ausgabesignals des Modells einerseits und dem tatsächlich ermittelten Antwortverlauf (das heißt der Spannungsverlauf der Zellspannung) ein vorbestimmtes Fittingkriterium erfüllt. Es findet also eine Systemidentifikation, das heißt das Bestimmen der Parameterwerte, dadurch statt, dass die Parameterwerte jeweils auf einen konkreten Werte eingestellt werden und dann überprüft wird, ob hierdurch das Modell auf den Anregungsverlauf in derselben Weise oder zumindest derart ähnlich, wie es das Fittingkriterium vorgibt, reagiert wie der Antwortverlauf. Solange das Fittingkriterium nicht erfüllt ist, kann dies wiederholt werden, und zwar immer mit einem jeweils veränderten Parameterwert oder mehreren veränderten Parameterwerten. Hierbei kann auf ein iteratives Schätzverfahren zurückgegriffen werden, insbesondere ein Gradientenabstiegsverfahren. Das Fittingkriterium kann zum Beispiel fordern, dass eine Summe der Quadrate der Differenzwerte zwischen Ausgabesignal des Modells und ermitteltem Antwortverlauf kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert ist.
Zusätzlich oder alternativ dazu ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass die Berechnungsvorschrift umfasst, dass auf der Grundlage des Anregungsverlaufs und des Antwortverlaufs eine Impulsantwort der elektrochemischen Zelle ermittelt wird, wobei die Impulsantwort einen Realanteil Re(Z) und einen Imaginäranteil Im(Z) beschreibende Impedanzwerte einer Impedanz Z für die Anregungsfrequenzen angibt. Es wird also der Frequenzverlauf der Impedanz Z zumindest für die zu prüfenden Anregungsfrequenzen ermittelt. Hierbei wird die Impulsantwort als komplexwertiges Signal oder komplexwertiger Verlauf mit Realanteil und Imaginäranteil ermittelt. Die Parameterwerte lassen sich dann anhand der Impulsantwort ermitteln. Da für mehrere Anregungsfrequenzen f jeweils der Impedanzwert Z(f) bekannt ist, ergibt sich ein Gleichungssystem mit mehreren Gleichungen und mehreren Unbekannten, das gelöst werden kann, um alle Parameterwerte zu ermitteln. Somit können also die Parameterwerte nicht-iterativ, sondern analytisch durch eine Berechnung ermittelt werden. Auch hier können aber iterativ aus der Übertragungsfunktion im Frequenzbereich die Parameter eines Modells gefittet werden.
In einer Ausführungsform wird auf der Grundlage der Parameterwerte eine Simulation und/oder eine Prädiktion eines Zustands der Batteriezelle und/oder eines elektrischen Verhaltens betreffend eine Leistungsabgabe und/oder eine Leistungsaufnahme (Leistungsprädiktion) der Batteriezelle durchgeführt. Somit kann also ein zukünftiges oder voraussichtliches Verhalten der Batteriezelle mittels des Modells unter Verwendung aktueller Parameterwerte ermittelt werden.
Um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, ist durch die Erfindung auch eine Steuervorrichtung für eine Batteriezelle vorgesehen. Die Steuervorrichtung kann in die Batteriezelle integriert sein. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, eine Steuervorrichtung für einen Verbund aus mehreren Batteriezellen bereitzustellen, wobei die Steuervorrichtung dann außerhalb der Batteriezellen, beispielsweise in einem Batteriemanagementsystem, bereitgestellt sein kann. Die Steuervorrichtung weist eine Prozessoreinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierbei auf zumindest einem Mikrocontroller und/oder zumindest einem Mikroprozessor und/oder zumindest einem FPGA und/oder zumindest einem DSP basieren, wie dies bereits beschrieben wurde. In der Prozessoreinrichtung kann ein Programmcode bereitgestellt sein, der Instruktionen oder Programmbefehle aufweist, die dazu eingerichtet sind, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein.
Zu der Erfindung gehört auch eine Batterie für ein Kraftfahrzeug, wobei die Batterie zumindest eine schaltbare Batteriezelle, das heißt eine Batteriezelle mit zumindest einem Schaltelement zum Schalten eines elektrischen Stroms in der Batteriezelle, und zumindest eine Steuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufweist. Die Batterie kann insbesondere als Hochvoltbatterie oder Traktionsbatterie für einen Fahrantrieb des Kraftfahrzeugs ausgestaltet sein. Die elektrochemische Zelle einer Batteriezelle kann beispielsweise auf einer Lithium-Technologie basieren, beispielsweise eine Lithium-Ionen-Zelle sein.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Kraftfahrzeug, welches eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie aufweist. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist hierbei bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder als Motorrad ausgestaltet.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Modells einer elektrochemischen Zelle;
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie;
3 ein Diagramm mit einem schematisierten Anregungsverlauf und einem schematisierten Antwortverlauf;
4 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Berechnungsvorschrift, wie sie zum Ermitteln von Parameterwerten aus einem Anregungsverlauf und einem Antwortverlauf genutzt werden kann; und
5 eine schematische Darstellung eines Nyquist-Diagramms, welches mittels einer Berechnungsvorschrift aus einem Anregungsverlauf und einem Antwortverlauf gebildet werden kann und welches das Ermitteln von Parameterwerten veranschaulicht.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
2 zeigt in Kraftfahrzeug 11, bei dem es sich um einen Kraftwagen, beispielsweise einen Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder einen Personenbus oder ein Motorrad handeln kann. In dem Kraftfahrzeug 11 kann eine Batterie 12 bereitgestellt sein, bei der es sich um eine Traktionsbatterie oder Hochvoltbatterie handeln kann. Die Batterie 12 kann über Batterieanschlüsse 13 an ein elektrisches Bordnetz 14 des Kraftfahrzeugs angeschlossen werden, über welches die Batterie 12 mit zumindest einem elektrischen Verbraucher 15, beispielsweise einem elektrischen Fahrantriebsaggregat des Kraftfahrzeugs 11, verbunden sein kann. Zum Bereitstellen eines Batteriestroms 16 und einer Batteriespannung 17 zwischen den Batterieanschlüssen 13 kann in der Batterie 12 eine Batteriezelle 18 zusammen mit mehreren anderen Batteriezellen 18` in an sich bekannter Weise bereitgestellt sein. Auch eine Verschaltung mehrerer Batteriezellen 18, 18` in einer Batterie 12 kann aus dem Stand der Technik entnommen sein. Die Batteriezellen 18, 18` stellen einen Verbund dar, der gemeinsam zum Erzeugen der Batteriespannung 17 und des Batteriestroms 16 verwendet werden kann.
Die folgenden Erläuterungen können für jede der Batteriezellen 18, 18` gelten, sind aber der Einfachheit halber nur für die Batteriezelle 18 beschrieben.
Elektrische Anschlüsse 19 der Batteriezelle 18 können mit den Batterieanschlüssen 13 in an sich bekannter Weise elektrisch verbunden oder gekoppelt sein. Innerhalb der Batteriezelle 18 können die Anschlüsse 19 über einen Zellzweig 20 verbunden sein, in den eine galvanische Zelle oder elektrochemische Zelle 21 geschaltet sein kann, beispielsweise als ein so genannter Zellwickel. Allgemein kann eine elektrochemische Zelle 21 zwei Elektroden und ein Elektrolyt aufweisen. Durch die elektrochemische Zelle 21 können eine Zellspannung U und ein Zellstrom I bereitgestellt werden. In dem Zellzweig 20 kann ein elektrisches Schaltelement A zum Unterbrechen und Zuschalten des Zellstroms I bereitgestellt sein. In der Batteriezelle 18 kann ein Kurzschluss-Bypasszweig 22 bereitgestellt sein, welcher die Anschlüsse 19 unter Umgehung der elektrochemischen Zelle 21 verbinden kann, um die elektrochemische Zelle 21 in einer Reihenschaltung von Batteriezellen überbrücken zu können. In dem Kurzschluss-Bypasszweig 22 kann hierzu ein elektrisches Schaltelement B bereitgestellt sein. In der Batteriezelle 18 kann ein Balancing-Bypasszweig 23 bereitgestellt sein, welcher ein Balancing-Widerstandselement Rbal für ein so genanntes Balancing der Batteriezellen 18, 18` aufweisen kann. In dem Balancing-Bypasszweig 23 kann ein elektrisches Schaltelement C breitgestellt sein. Es kann alternativ vorgesehen sein, dass der Balancing-Bypasszweig 23 nicht wie in 2 ausgeführt ist, sondern direkt die Anschlüsse der elektrochemischen Zelle 21 kontaktiert, das heißt, dass das Schaltelement A in der Lage ist, sowohl den Zellzweig 20, als auch den Balancing-Bypasszweig 23 von einem der Anschlüsse 19 der Batteriezelle 18 zu trennen und an diesen zuzuschalten.
Jedes Schaltelement A, B, C kann jeweils beispielsweise auf der Grundlage eines Transistors, insbesondere eines Feldeffekttransistors, bereitgestellt oder realisiert sein.
Für die Batterie 12 kann eine Steuervorrichtung 24 vorgesehen sein, welche für die elektrochemische Zelle 21 der Batteriezelle 18 und auch für die jeweilige elektrochemische Zelle der übrigen Batteriezellen 18` jeweils ein Modell 10 der beschriebenen Art betreiben kann, beispielsweise als digitales Modell. Um das Modell 10 an die jeweilige Zelle 21 anzupassen, müssen Parameterwerte 25 für beispielsweise zumindest eine der beschriebenen Komponenten Uocv, L, C1, R0, R1 ermittelt werden. Hierzu kann vorgesehen sein, eines oder mehrere der Schaltelement A, B, C (soweit vorhanden und benötigt) zu schalten.
3 veranschaulicht, wie hierdurch beispielsweise der Zellstrom I mittels einer Sprungfunktion 26 abgeschaltet werden kann. Es ergibt sich hierdurch für die Zelle 21 ein zeitliches Anregungssignal oder ein zeitlicher Anregungsverlauf 27 des Zellstroms I über der Zeit t. Die Zelle 21 reagiert mit ihrer Zellspannung U in einem zeitlichen Antwortsignal oder Antwortverlauf 28, welcher sich aus den aktuellen Kennwerten der Komponenten L, C1, R0, R1, Uocv ergeben kann, die als Parameterwerte 25 des Modells 10 geschätzt werden sollen. Die Sprungfunktion 26 kann durch eine entsprechende Schaltfunktion G für zumindest eines der Schaltelemente A, B, C bewirkt werden, insbesondere für das Schaltelement A, welches den Zellstrom I unterbrechen kann. Die Schaltfunktion G kann beispielsweise eine Gatespannung eines Transistors zumindest eines Schaltelements A, B, C einstellen oder steuern.
Die Messung des Zellstroms I und der Zellspannung U kann in an sich bekannter Weise mittels einer Messeinrichtung 29 (siehe 2) erfolgen. Der Anregungsverlauf 27 und der Antwortverlauf 28 können beispielsweise mittels eines Analog-DigitalWandlers als digitale Signale erfasst werden.
4 veranschaulicht, welcher Zusammenhang sich zwischen dem Anregungsverlauf 27, das heißt dem Zellstrom I über der Zeit t, und dem Antwortverlauf 28, das heißt der Zellspannung U über der Zeit t ergibt. Der Zusammenhang ergibt sich als Übertragungsfunktion 30 der elektrochemischen Zelle 21, die der Impedanz 31 der elektrochemischen Zelle 21 entspricht. Die Übertragungsfunktion 30 kann die Fourier-Transformierte der Impulsantwort der elektrochemischen Zelle 21 sein. Indem eine Sprungfunktion 26 verwendet wird, ist hierbei in dem Antwortverlauf 28 das elektrische Verhalten der elektrochemischen Zelle 21 für mehrere Anregungsfrequenzen 32 (hier als Kreisfrequenz ω dargestellt) beschrieben. Eine Auswirkung eines Rauschens N(t), das in der Messung ebenfalls enthalten sein kann, ist in 4 ebenfalls als additiver Term dargestellt.
4 veranschaulicht des Weiteren, wie mittels einer Fourier-Transformation 33 aus den zeitlichen Signalen des Anregungsverlaufs 27 (I(t)) und des Antwortverlaufs 28 (U(t)) für eine Impulsantwort 34, das heißt Z(_T), die komplexwertigen Impedanzwerte 35 der Impedanz 31 für die Anregungsfrequenzen 32 ermittelt werden können, wenn ein kausales, lineares und zeitinvariantes System vorausgesetzt wird.
5 veranschaulicht ein mögliches Ergebnis, wobei hier der Realanteil Re (Z) der Impedanz 31 (Z) und der Imaginäranteil Im (Z) der Impedanz 31 (Z) dargestellt ist. Es ergibt sich für unterschiedliche Anregungsfrequenzen f (f ist proportional zu w) jeweils ein komplexwertiger Impedanzwert Z(iω), wobei ω die Kreisfrequenz ist. Aus dem sich so ergebenden Nyquist-Diagramm 36 können dann die Parameterwerte 25 berechnet oder geschätzt (z.B. gefittet) werden, was an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist und für R0+L/(R1*C1) als Impedanzwert bei einem Schnittpunkt der Impedanz mit der reellen Achse beispielhaft angegeben ist.
Die zugehörige Berechnungsvorschrift kann beispielsweise durch eine Prozessoreinrichtung 37 der Steuervorrichtung 24 durchgeführt werden (siehe 2). Im Frequenzbereich kann der Anregungsverlauf 27 des Zellstroms I als Stromspektrum If und der Anregungsverlauf 28 der Zellspannung U als Spannungsspektrum Uf beschrieben werden. Dann kann das Impedanzspektrum der Impedanz 31, das heißt die Impedanzwerte 35 durch eine Berechnungsvorschrift F beschrieben werden, wie sie beispielhaft in 4 angegeben ist. Aus dem Stand der Technik können weitere Rechnungsvorschriften entnommen werden. Entscheidend ist, dass der Anregungsverlauf 27 und der Antwortverlauf 28 auf einem Schaltsignal oder einer Schaltfunktion für zumindest ein Schaltelement A, B, C beruht, durch welche sich ein Anregungsverlauf 27 mit Frequenzanteilen bei mehreren Anregungsfrequenzen f ergibt.
Im Folgenden ist ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben.
Eine Batteriezelle ist keine ideale Spannungsquelle, sondern vielmehr ein elektrochemisches System, das durch interne Widerstände bzw. dynamische Prozesse eine begrenzte Energie und Leistung zur Verfügung stellen kann. Ein wesentlicher Bestandteil bei der Untersuchung von Batteriezellen ist die Modellbildung und Simulation, die meist durch Referenzmessungen im Labor erfolgt. Die gängigste Art der Modellierung ist die impedanzbasierte Beschreibung aus 1 als elektrisches Ersatzschaltbild. Dabei wird die ladezustandsabhängige Ruhespannungsquelle um beispielsweise induktive, kapazitive und resistive Elemente erweitert, um Batteriecharakteristika elektrisch beschreiben zu können.
Die Modelle werden auch onboard in Elektro- und Hybridfahrzeugen zur Steuerung und Regelung der Antriebskomponenten eingesetzt. Durch ein optimiertes Modell können bessere Aussagen über das Verhalten der Batteriezelle getroffen werden, was beispielsweise eine Erhöhung der Genauigkeit bei der Leistungsprädiktion zur Folge hat. Die Werte der Elemente des Ersatzschaltbildes werden als Parameter bezeichnet und ändern sich im Betrieb, unter anderem durch Temperatur, Alterung oder mechanische Einflüsse. Der Einsatz modellbasierter Parameterschätzung durch Filter-Verfahren (z.B. Kalman, Recursive-Least-Squares) im Fahrzeugbetrieb ist in naher Zukunft denkbar.
Ein bewährtes Verfahren im Labor besteht in der Verwendung der sogenannten elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS), die in ihrer gängigsten Form eine Sinus-Schwingung aufmoduliert. Hierdurch ist mit komplexer Wechselstromrechnung eine Bestimmung der Batterieparameter möglich.
Ebenso ist aber eine Parameterschätzung durch Pulsanregungen möglich. Daher soll ein Schätzverfahren basierend auf der Verwendung von Schaltelementen vorgestellt werden, wie es online im Fahrzeug eingesetzt werden kann. Aktuell ist eine Parameterschätzung in Elektrofahrzeugen onboard/online im Automobil nicht ohne weiteres möglich, weshalb eine derartige Diagnosefähigkeit nicht gegeben ist.
Die vorliegende Lösung beinhaltet die Anregung der Batterie durch Schalter an jeder Batteriezelle. Dabei sind verschiedene Formen der Anregung denkbar. Beispielsweise kann der Strom während der Fahrt durch ein Wegschalten der Batterie vom Antrieb unterbrochen werden, was einer Sprunganregung entspricht. Eine Anregung kann nicht nur beim Fahren, sondern auch beim Laden oder der Rekuperation erzeugt werden, wobei der Strom in die entgegengesetzte Richtung fließt. Die Antwort der Batteriezelle wird als Antwortverlauf gemessen und daraus das Übertragungsverhalten (die Impedanz) berechnet. Diese Systemidentifikation der zugrundeliegenden Zelle kann über verschiedene Formen der Signalverarbeitung erfolgen (direkter Parameter-Fit im Zeitbereich oder Transformation in den Frequenzbereich).
Durch eine intelligente Datenverarbeitung können im Betrieb die Parameter des Batteriemodells geschätzt und für die Simulation angepasst werden. Dadurch sind eine genauere Diagnose und Zustandsschätzung möglich, die sowohl die Sicherheit im Betrieb erhöht als auch das ideale Ausnutzen der Batterie ermöglicht. Der große Vorteil der vorliegenden Idee liegt in der Parameter- und Zustandsschätzung ohne dedizierte Impedanzspektroskopie-Hardware. Das heißt die benötigte Aktorik und Sensorik ist in einer SmartCell (schaltbare Batteriezelle) vorhanden, die Schalter müssen lediglich gezielt gesteuert und die Sensordaten intelligent ausgewertet werden.
Wie bereits beschrieben, kann durch ein geeignetes Schalterkonzept eine Batteriezelle von der Last getrennt, also eine Stromunterbrechung stattfinden. Dies entspricht der Öffnung des Schalters A in 2. Ebenso kann der Stromfluss durch Zuschalten der Batterie wieder aktiviert werden (das heißt Schalter A wird wieder geschlossen). Die Kombination daraus entspricht einer Pulsanregung, wobei die Amplitude vom aktuellen Fahrprofil abhängt und die Dauer des Pulses ein Einstellparameter des Verfahrens ist.
Die schematische Zeichnung wurde auf eine Batteriezelle beschränkt, wobei anzumerken ist, dass ein Batteriesystem meist aus vielen teilweise seriell und parallel verschalteten Zellen zusammengesetzt wird. Deshalb kann ein Wegschalten einzelner Zellen durch Schalter kompensiert werden, ohne den Betrieb des Fahrzeugs einzuschränken. Als alternative Anregungsart ist bei Batteriesystemen mit passivem Balancing das definierte Entladen einer Zelle durch den Balancing-Widerstand zu sehen. Dafür ist der dazugehörige Schalter C zu schließen. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Erzeugung eines gewollten Kurzschlusses durch simultanes Schließen des Aktiv-Schalters A und des Bypass-Schalters B. Durch die geringe Impedanz der Zelle entstehen sehr hohe Ströme, die einer Impulsanregung entsprechen. Bei den betrachteten Anregungsarten sind immer auch wiederholte Durchführungen und kombinierte Verfahren denkbar.
Beispielhaft für eine mögliche Berechnungsvorschrift sei im Folgenden eine Ausführung der Parameterschätzung einer Batteriezelle aufgezeigt, die durch eine simulative Untersuchung gestützt wird. Dabei wird, wie in 3 oben dargestellt, die konstante Stromentnahme von 1 A durch das Öffnen des Aktiv-Schalters A unterbrochen.
Resultat daraus ist im Verlauf der Klemmenspannung zunächst eine Spannungsspitze durch die im Modell enthaltene Induktivität. Danach folgt die sogenannte Relaxation, das heißt die in der Kapazität gespeicherte Energie wird entladen und die an den Klemmen anliegende Spannung gleicht sich der Ruhespannung Uocv an.
Aus Spannungs- und Stromwerten können die Batterieparameter bestimmt werden. Bei einer ersten Variante werden die Parameter direkt gefittet, das heißt der gemessene zeitliche Verlauf der Spannung wird an das Ausgangssignal des definierten Ersatzschaltbild-Modells angepasst. Dieser Fehler zwischen Modell und System kann iterativ durch einen Optimierungsalgorithmus minimiert werden, sodass final die Parameter des Modells bestmöglich das System abbilden (entspricht klassischer Systemidentifikation im Zeitbereich). In einer zweiten Variante können Transformationen in den Frequenzbereich genutzt werden. Rein formell berechnet sich das Ausgangsverhalten eines linearen zeitinvarianten Systems aus dem Eingangssignal durch eine Faltung mit der Impulsantwort Z(_T) (siehe 4). Der Zusammenhang entspricht einer Multiplikation im Frequenzbereich; die Fouriertransformierte Impulsantwort Z(iω) wird dann auch Frequenzgang oder Übertragungsfunktion genannt.
Bei der vorliegenden System identifikation einer Batteriezelle stellt der Eingang I(t) den zeitlichen Verlauf des Stroms und der Ausgang U(t) die Spannung dar. Der komplexe Wechselstromwiderstand (Impedanz) ist dabei die Division der Spannung durch den Strom (vgl. Ohmsches Gesetz) und deshalb die Übertragungsfunktion für alle Frequenzpunkte. Die Spannung wird an der Klemme gemessen und ist deshalb oft von einem Rauschterm N(t) überlagert. Die Herausforderung besteht darin, trotz Rauschen und anderen Störgrößeneinflüssen eine erwartungstreue und konsistente Schätzung zu ermöglichen.
In einer weiteren beispielhaften Umsetzung einer Berechnungsvorschrift wird die Tatsache genutzt, dass die Impulsantwort als Ableitung der Sprungantwort berechnet werden kann. Somit kann die Übertragungsfunktion durch Ableiten der Impulsantwort und Transformation in den Frequenzbereich (algorithmisch z.B. durch die Finite Fourier-Transformation) ermittelt werden. In 5 wird das Resultat der Methode visualisiert. Im Nyquist-Diagramm, einer Darstellungsform für komplexwertige Größen, ist die Übertragungsfunktion basierend auf der Sprunganregung im Vergleich zur analytisch korrekten Lösung der Batterieparameter dargestellt.
Die Auswertung der Simulation zeigt, dass in der Sprunganregung alle nötigen Informationen enthalten waren, um das Übertragungsverhalten, also die Batterieparameter, zu schätzen. Aus der Darstellung im Frequenzbereich können die Parameter wiederum durch einen Fit extrahiert werden. Die Bedeutung der einzelnen Parameter ist exemplarisch für R0+L/(R1*C1) (vgl. Ersatzschaltbild aus 1) als Widerstandswert bei einem Schnittpunkt der Übertragungsfunktion mit der reellen Achse aufgezeigt.
Wird statt einem Sprung ein (Im-)Puls erzeugt, kann die gemessene Antwort direkt ohne Ableitung als Impulsantwort verwendet werden. Allgemein gibt es viele weiterführende Möglichkeiten, aus Signalen im Zeitbereich die Frequenzantwort zu bestimmen. Abhängig vom Anregungssignal (z.B. Gaußsches Rauschen, (Multi)-Sinusse, Pulse und deren Kombination als Maximalfolgen) können intelligente Methoden verwendet werden, um auch bei Fehlern im System brauchbare Ergebnisse zu extrahieren.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Parameterschätzung mittels Stromanregung durch ein Schaltelement ermöglicht werden kann.

Claims

Verfahren zum Ermitteln von Parameterwerten (25) eines Modells (10) einer elektrochemischen Zelle (21) einer Batteriezelle (18) in einer Batterie (12) eines Kraftfahrzeugs (11), wobei die elektrochemische Zelle (21) in einem Zellzweig (20) betrieben wird, der zwei elektrische Anschlüsse (19) der Batteriezelle (18) verbindet, und in dem Zellzweig (20) und/oder in zumindest einem Bypasszweig (22, 23), der jeweils die Anschlüsse (19) unter Umgehung der elektrochemischen Zelle (21) verbindet, jeweils ein Schaltelement (A, B, C) bereitgestellt ist, wobei das jeweilige Schaltelement (A, B, C) durch eine Steuervorrichtung (24) gemäß einer vorbestimmten Schaltfunktion (G) geschaltet wird und mittels des Schaltens ein durch die Schaltfunktion (G) vorgegebener zeitlicher Anregungsverlauf (27) einer Stromstärke eines Zellstromes (I) der elektrochemischen Zelle (21) verändert wird, wobei der Anregungsverlauf (27) gleichzeitig Frequenzanteile bei mehreren Anregungsfrequenzen (f) aufweist, und mittels einer Messeinrichtung (29) der Batteriezelle (21) ein zeitlicher Antwortverlauf (28) einer elektrischen Zellspannung (U) der elektrochemischen Zelle (21) erfasst wird und aus dem Anregungsverlauf (27) und dem Antwortverlauf (28) mittels einer vorbestimmten Berechnungsvorschrift (F) die Parameterwerte (25) ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Schalten synchron zu einem Schalten zumindest eines Schaltelements zumindest einer anderen Batteriezelle (18') durchgeführt wird, wobei die jeweilige andere Batteriezelle (18`) gemäß einer zu der Schaltfunktion (G) inversen Schaltfunktion geschaltet wird und mittels der inversen Schaltfunktion ein Zellstrom der anderen Batteriezelle (18') mit einem zu dem Anregungsverlauf (27) inversen Anregungsverlauf erzeugt wird, wobei der Anregungsverlauf (27) und der inverse Anregungsverlauf insgesamt einen Batteriestrom (16) der Batterie (12) mit einem zeitlichen Verlauf ergeben, bei welchem sich der Anregungsverlauf (27) und der inverse Anregungsverlauf gegenseitig kompensieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei für die zumindest eine andere Batteriezelle (18`) auf der Grundlage des inversen Anregungsverlaufs ebenfalls für die Anregungsfrequenzen (f) gültige Parameterwerte (25) ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verändern des Zellstroms (I) der elektrochemischen Zelle (21) während eines Betriebs des Kraftfahrzeugs (11) durchgeführt wird, wobei der Betrieb eine Fahrt des Kraftfahrzeugs (11) und/oder ein Aufladen der Batterie (12) und/oder eine Rekuperation von Energie in die Batterie (12) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch die Schaltfunktion (G) eine Stromunterbrechung und/oder eine Stromzuschaltung gemäß einer Sprungfunktion (26) erfolgt und hierzu das jeweilige Schaltelement (A, B, C) zwischen einem elektrisch sperrenden und einem elektrisch leitenden Zustand umgeschaltet wird oder wobei durch die Schaltfunktion die Stromstärke des Zellstroms (I) mittels einer Modulation, welche einen Stromfluss des Zellstroms (I) beibehält, verändert wird und die Modulation mittels eines Rauschsignals und/oder eines Signals aus mehreren überlagerten Sinusfunktionen und/oder eines Signals einer vorbestimmten Maximalfolgensequenz vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltfunktion (G) ein Abschalten des Zellstromes (I) darstellt oder wobei die Schaltfunktion (G) einen Strompuls durch nacheinander Einschalten und dann Ausschalten oder durch nacheinander Ausschalten und dann Einschalten des Zellstroms (I) innerhalb von weniger als 100 Millisekunden vorsieht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Schaltelement (A) in dem Zellzweig (20) geschaltet wird und/oder wobei ein Kurzschluss-Bypasszweig (22) für einen elektrischen Kurzschluss der beiden Anschlüsse (19) vorgesehen ist und ein Schaltelement (B) des Kurzschluss-Bypasszweiges (22) geschaltet wird und der Zellstrom (I) über den Kurzschluss-Bypasszweig (22) geführt wird und/oder wobei ein Schaltelement (C) in einem Balancing-Bypasszweig (23) geschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Berechnungsvorschrift (F) umfasst, dass durch iteratives Anpassen der Parameterwerte (25) ein Übertragungsverhalten des Modells (10) für den Anregungsverlauf (27) angepasst wird, bis ein Unterschied zwischen einem durch das Übertragungsverhalten bestimmtes Ausgabesignal des Modells (10) und der ermittelte Antwortverlauf (28) ein vorbestimmtes Fittingkriterium erfüllen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Berechnungsvorschrift (F) umfasst, dass auf der Grundlage des Anregungsverlaufs (27) und des Antwortverlaufs (28) eine Impulsantwort (30') der elektrochemischen Zelle (21) ermittelt wird, wobei die Impulsantwort (30') einen Realanteil und einen Imaginäranteil beschreibende Impedanzwerte (35) einer Impedanz (Z) für die Anregungsfrequenzen (f) enthält, und die Parameterwerte (25) anhand der Impulsantwort (30') ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf der Grundlage der Parameterwerte (25) eine Simulation und/oder eine Prädiktion eines Zustands der Batteriezelle (18) und/oder eines elektrischen Verhaltens betreffend eine Leistungsabgabe und/oder eine Leistungsaufnahme der Batteriezelle (18) durchgeführt wird.
Steuervorrichtung (24) für eine Batteriezelle (18) oder für einen Verbund aus mehreren Batteriezellen (18, 18`), wobei die Steuervorrichtung (24) eine Prozessoreinrichtung (37) aufweist, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
Batterie (12) für ein Kraftfahrzeug (11), wobei die Batterie (12) zumindest eine schaltbare Batteriezelle (18, 18') mit zumindest einem Schaltelement (A, B, C) zum Schalten eines Zellstroms (I) der Batteriezelle (18, 18') und zumindest eine Steuervorrichtung (24) gemäß Anspruch 10 aufweist.