DE102019217653A1

DE102019217653A1 - Verfahren zur Bestimmung einer Leerlaufspannung und Speicher für elektrische Energie

Info

Publication number: DE102019217653A1
Application number: DE102019217653.4A
Authority: DE
Inventors: Christoph Zehe
Original assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Priority date: 2019-11-15
Filing date: 2019-11-15
Publication date: 2021-05-20
Anticipated expiration: 2039-11-16
Also published as: DE102019217653B4; CN114641697A; WO2021094419A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung einer Leerlaufspannung eines Speichers für elektrische Energie, das folgendes umfasst:- messen des Spannungssignals über einen Zeitraum tmnach Abkopplung einer Last von der Stromquelle;- subtrahieren einer angenommenen Leerlaufspannung OCV0von dem gemessenen Spannungssignal;- logarithmieren des resultierenden Spannungssignals;- anpassen einer durch zwei Parameter m, n definierten Geraden an das resultierende Spannungssignal und- optimieren der Parameter m, n und OCV0, um eine Abweichung der Geraden von dem logarithmierten Spannungssignal zu minimieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Leerlaufspannung eines Speichers für elektrische Energie. Ferner betrifft sie einen Speicher für elektrische Energie.
Bei Speichern für elektrische Energie, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen oder Lithium-Ionen-Batterien für elektrisch angetriebene Fahrzeuge oder auch stationäre Energiespeicher, ist es häufig notwendig, die Leerlaufspannung des Energiespeichers zu kennen, um z.B. den aktuellen Ladezustand des Speichers zu bestimmen oder die verfügbare Leistung vorherzusagen.
Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten zur Bestimmung der Leerlaufspannung. Zum einen ist es möglich, die Spannung nach einer ausreichend langen Zeitspanne nach dem Abkoppeln einer elektrischen Last zu messen. Nachteilig ist dabei jedoch, dass für eine genaue Messung der Leerlaufspannung u.U. sehr lange gewartet werden muss, weil sich ein Gleichgewicht teilweise erst nach Stunden oder sogar nach Tagen einstellt. Häufig ist diese Methode zur Bestimmung der Leerlaufspannung daher nicht praktikabel.
Eine weitere Möglichkeit ist es, die Spannung bereits kurz nach dem Abkoppeln der Last zu messen und ihren Verlauf mittels eines Batteriespeichermodells, das die Extrapolation auf einen Leerlauf ermöglicht, anzunähern. Ein derartiger Ansatz ist aus der US 2009/0326842 A1 bekannt.
Nachteilig ist dabei jedoch, dass ein solches Modell von mehreren Parametern abhängig ist, die teilweise auch von der Temperatur, dem Ladezustand oder dem Strom abhängen und somit häufig schwierig zu bestimmen sind.
Die ungenaue Bestimmung der Leerlaufspannung resultiert in verhältnismäßig großen Fehlern bei der Bestimmung des Ladezustands des Speichers. Je größer jedoch die Fehler bei der Bestimmung des Ladezustands sind, desto größer müssen die bei der Speicherauslegung veranschlagten Sicherheitsreserven sein. Umgekehrt ausgedrückt erlaubt somit eine genauere Bestimmung der Leerlaufspannung eine genauere Bestimmung des aktuellen Ladezustands und somit eine präziser auf den Bedarf zugeschnittene Auslegung des Speichers, was in einem kleineren und damit leichteren Speicher resultiert.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur möglichst präzisen Bestimmung der Leerlaufspannung eines Speichers für elektrische Energie anzugeben, das auch schon nach kurzer Wartezeit nach dem Abkoppeln einer Last durchgeführt werden kann. Ferner soll ein Speicher für elektrische Energie angegeben werden, dessen Kapazität möglichst genau passend für seinen Einsatzzweck ausgelegt ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Leerlaufspannung eines Speichers für elektrische Energie angegeben, welches das Messen des Spannungssignals über einen Zeitraum t_m nach Abkopplung einer Last von der Stromquelle umfasst. Ferner umfasst das Verfahren das Subtrahieren einer angenommenen Leerlaufspannung OCV₀ von dem gemessenen Spannungssignal, das Logarithmieren des resultierenden Spannungssignals, ferner das Anpassen einer durch zwei Parameter m, n definierten Geraden an das resultierende Spannungssignal sowie das Optimieren der Parameter m, n und OCV₀, um eine Abweichung der Geraden von dem logarithmierten Spannungssignal zu minimieren.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass es bereits Sekunden oder Minuten nach Abkoppeln der Last angewendet werden kann. Es ist somit auch in Fällen einsetzbar, in denen der Ladezustand des Energiespeichers spontan bestimmbar sein muss. Die Genauigkeit, mit der die Leerlaufspannung ermittelt wird, verbessert sich allerdings mit längerer Wartezeit, sodass eine Aktualisierung der zunächst ermittelten Leerlaufspannung vorteilhaft sein kann.
Das Verfahren weist ferner den Vorteil auf, dass es keinerlei Modell für den Relaxationsvorgang erfordert, das fehleranfällig wäre. Zudem reagiert die Näherung der gemessenen und logarithmierten Spannung durch eine Gerade wegen der logarithmischen Skala besonders empfindlich auf Abweichungen der angenommenen Leerlaufspannung OCV₀ von der tatsächlichen Leerlaufspannung OCV. Dies ermöglicht eine besonders genaue Bestimmung der Leerlaufspannung.
Gemäß einer Ausführungsform gilt für den Zeitraum t_m 5s ≤ t_m ≤ 120s, insbesondere 10s ≤ t_m ≤ 40s. Wie sich herausgestellt hat, kann mit derartigen Wartezeiten bereits eine Abweichung des ermittelten Ladezustands vom tatsächlichen Ladezustand um wenige Prozent erzielt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands eines Speichers für elektrische Energie angegeben, wobei die Leerlaufspannung des Speichers gemäß dem beschriebenen Verfahren zur Bestimmung der Leerlaufspannung ermittelt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Speicher für elektrische Energie angegeben, der ein Batteriemanagementsystem umfasst, das Mittel zur Bestimmung des Ladezustands des Speichers aufweist, wobei die Mittel zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens geeignet sind.
Das Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands des Speichers sowie der Speicher für elektrische Energie weisen die im Zusammenhang mit dem Verfahren zur Bestimmung der Leerlaufspannung beschriebenen Vorteile auf.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Speicher als Batterie eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs ausgebildet. Unter einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug wird hier und im Folgenden sowohl ein rein elektrisch betriebenes Fahrzeug verstanden als auch ein Hybridfahrzeug einschließlich Plug-ins oder 48-Voltsystemen.
Alternativ kann der Speicher auch als stationärer Energiespeicher ausgebildet sein.
Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielhaft beschrieben.

1 zeigt den Verlauf der Zellspannung an einem Energiespeicher für elektrische Energie nach Abkoppeln einer Last;
2 zeigt für denselben Fall den Verlauf des Zellstroms;
3 zeigt für einen ersten Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Leerlaufspannung ein Diagramm mit dem Verlauf der nach Abkoppeln der Last gemessenen Zellspannung;
4 zeigt für einen weiteren Schritt des Verfahrens ein Diagramm der Zellspannung nach Abzug einer angenommenen Leerlaufspannung;
5 zeigt für einen weiteren Schritt des Verfahrens ein Diagramm der logarithmisch aufgetragenen Zellspannung gemäß 4;
6 zeigt in einem Diagramm des Spannungsverlaufs die nach nur 10 Sekunden Wartezeit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelte Leerlaufspannung;
7 zeigt in einem Diagramm des Spannungsverlaufs die nach nur 15 Sekunden Wartezeit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelte Leerlaufspannung und
8 zeigt in einem Diagramm des Spannungsverlaufs die nach nur 40 Sekunden Wartezeit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelte Leerlaufspannung.

1 zeigt ein Diagramm der über der Zeit aufgetragenen Zellspannung einer Lithium-Ionen-Batterie, wobei in dem Zeitraum t_l eine Last mit der Batterie verbunden ist, die zum Zeitpunkt t₀ abgekoppelt wird. In dem Zeitraum t_m wird der Spannungsverlauf der Zellspannung nach Abkoppeln der Last gemessen.
Der zeitliche Verlauf des Zellstroms ist in 2 gezeigt.
Nach Abkoppeln der Last im Zeitpunkt to soll der Ladezustand der Batterie bestimmt werden. Dazu wird die Leerlaufspannung der Batterie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt, das im Folgenden anhand der 3 bis 5 näher beschrieben wird.
3 zeigt ein Diagramm, das den Verlauf der im Zeitraum t_m gemessenen Spannungsrelaxation darstellt. Der Nullpunkt der Zeitskala liegt daher im Zeitpunkt to. Im Zeitraum t_m nähert sich die gemessene Zellspannung der Leerlaufspannung an. Die Kurve 1 stellt dabei die gemessene Spannung dar, während die gestrichelte Linie 2 die Leerlaufspannung markiert, an die sich die Spannung im Lauf der Zeit annähert.
4 zeigt ein Diagramm, das einen weiteren Schritt des Verfahrens illustriert. In diesen Schritt wird von dem Spannungssignal 1 aus 3 eine angenommene Leerlaufspannung OCV₀ subtrahiert. Da die angenommene Leerlaufspannung OCV₀ nicht ganz der wahren, jedoch nicht bekannten Leerlaufspannung OCV entspricht, rutscht das Spannungssignal in 4 unter 0. Das aus der Subtraktion resultierende Spannungssignal wird hier mit 1' bezeichnet.
Die angenommene Leerlaufspannung kann beispielsweise geschätzt werden, durch Beobachtung der Spannungsrelaxation in einem kleinen Zeitraum extrapoliert werden oder aufgrund theoretischer Überlegungen geschätzt werden. Die Genauigkeit dieser Schätzung ist nicht ausschlaggebend für den Erfolg des erfindungsgemäßen Verfahrens.
5 zeigt ein Diagramm zur Illustration eines weiteren Verfahrensschritts. Aufgetragen ist die in 4 dargestellte Spannung 1', hier bezeichnet als Punktmenge 3 und aufgetragen in logarithmisierter Form. Wie in dem Diagramm der 5 erkennbar ist, folgt die Punktemenge 3 nicht einem linearen Verlauf. Die Abweichung von einem linearen Verlauf kommt dadurch zustande, dass die geschätzte und für den anhand von 4 erläuterten Verfahrensschritt verwendete Leerlaufspannung OCV₀ nicht der wahren Leerlaufspannung OCV entsprach, sondern zu groß gewählt wurde.
Ferner ist in 5 das Ergebnis eines weiteren Verfahrensschritts als Punktmenge 4 und als Gerade 5 aufgetragen. Die an die Punktmenge 4 gefittete Gerade 5 ist durch zwei Parameter m, n beschrieben und wird auf folgendem Wege erhalten: An die Punktmenge 3, die die erste Schätzung von OCV₀ enthält, wird eine durch die Parameter m und n bestimmte Gerade gefittet (in 5 nicht gezeigt). Anschließend werden die Parameter m, n sowie OCV₀ gemeinsam optimiert, um eine Abweichung der Geraden von der Punktmenge 3 zu minimieren (beispielsweise least squares-fit o.ä.). Ist das globale Minimum der drei Parameter gefunden, entspricht die angenommene Leerlaufspannung OCV₀ theoretisch der wahren Leerlaufspannung OCV. Somit liefert das anhand der 1 bis 5 beschriebene Verfahren mithilfe einfacher Rechenoperationen und einer einfachen Optimierung auch bereits nach kurzer Wartezeit einen zuverlässigen Wert für die Leerlaufspannung OCV.
Die 6, 7 und 8 illustrieren die Durchführung des Verfahrens nach 10, 15 und 40 Sekunden Wartezeit. Wie aus den Diagrammen ersichtlich ist, steigert sich die Genauigkeit, mit der OCV₀ bestimmt werden kann, mit einer längeren Wartezeit.
Nach einer Wartezeit von 10 Sekunden, wie in 6 gezeigt, ergibt sich eine Abweichung der geschätzten OCV₀ von der wahren OCV von etwa 32 mV, was 0,83% von OCV entspricht. Daraus ergibt sich eine Genauigkeit in der Bestimmung des Ladezustands der Batterie von 1-9%.
Nach einer Wartezeit von 15 Sekunden, wie in 7 gezeigt, ergibt sich eine Abweichung der geschätzten OCV₀ von der wahren OCV von etwa 9 mV, was 0,22% von OCV entspricht. Daraus ergibt sich eine Genauigkeit in der Bestimmung des Ladezustands der Batterie von 0,5 bis 4,5%.
Nach einer Wartezeit von 40 Sekunden, wie in 8 gezeigt, ergibt sich eine Abweichung der geschätzten OCV₀ von der wahren OCV von etwa 8 mV, was 0,21% von OCV entspricht. Daraus ergibt sich eine Genauigkeit in der Bestimmung des Ladezustands der Batterie von 0,5 bis 4,5%.
Es ist somit bereits nach einer Wartezeit von 15 Sekunden eine hohe Genauigkeit erreicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2009/0326842 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer Leerlaufspannung eines Speichers für elektrische Energie, das folgendes umfasst: - messen des Spannungssignals über einen Zeitraum t_m nach Abkopplung einer Last von der Stromquelle; - subtrahieren einer angenommenen Leerlaufspannung OCV₀ von dem gemessenen Spannungssignal; - logarithmieren des resultierenden Spannungssignals; - anpassen einer durch zwei Parameter m, n definierten Geraden an das resultierende Spannungssignal und - optimieren der Parameter m, n und OCV₀, um eine Abweichung der Geraden von dem logarithmierten Spannungssignal zu minimieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei für den Zeitraum 5s ≤ t_m ≤ 120s gilt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei für den Zeitraum 10s ≤ t_m ≤ 40s gilt.
Verfahren zur Bestimmung des Ladungszustands eines Speichers für elektrische Energie, wobei eine Leerlaufspannung des Speichers gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 bestimmt wird.
Speicher für elektrische Energie, umfassend ein Batteriemanagementsystem, das Mittel zur Bestimmung des Ladungszustands des Speichers aufweist, wobei die Mittel zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 4 geeignet sind.
Speicher nach Anspruch 5, der als Batterie eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs ausgebildet ist.
Speicher nach Anspruch 5, der als stationärer Energiespeicher ausgebildet ist.