DE102020007411A1 - Verfahren zum Bestimmen eines aktuellen Widerstandswerts einer Batteriezelle in einem Kraftfahrzeug, sowie Auswertevorrichtung - Google Patents

Verfahren zum Bestimmen eines aktuellen Widerstandswerts einer Batteriezelle in einem Kraftfahrzeug, sowie Auswertevorrichtung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines aktuellen Widerstandswerts (12) einer Batteriezelle (14, mit den Schritten:- Erfassen eines Stromsignals (24) und eines Spannungssignals (26) und Erzeugen einer ersten Stromdifferenz (ΔI1) im Stromsignal (24) und einer dazu korrelierenden ersten Spannungsdifferenz (ΔU1) im Spannungssignal (26) innerhalb eines vorgegebenen ersten Zeitfensters (28) mittels einer Erfassungseinrichtung (20) der Auswertevorrichtung (10);- Erzeugen einer zweiten Stromdifferenz (ΔI2) im Stromsignal (24) und einer dazu korrelierenden zweiten Spannungsdifferenz (ΔU2) im Spannungssignal (26) in zumindest einem vorgegebenen zweiten Zeitfenster (30);- Auswerten der zumindest zwei Stromdifferenzen (ΔI1, ΔI2) und der zumindest zwei Spannungsdifferenzen (ΔU1, ΔU2) durch eine lineare Regression (44) und Erzeugen einer Regressionsgeraden (32) mittels einer elektronischen Recheneinrichtung (22) der Auswertevorrichtung (10); und- Bestimmen des aktuellen Widerstandswerts (12) der Batteriezelle (14) in Abhängigkeit von einer ermittelten Steigung (m) der Regressionsgeraden (32) mittels der elektronischen Recheneinrichtung (22).Ferner betrifft die Erfindung eine Auswertevorrichtung (10).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines aktuellen Widerstandswerts einer Batteriezelle eines elektrischen Energiespeichers eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs mittels einer Auswertevorrichtung eines Kraftfahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung eine Auswertevorrichtung.
  • Aus dem Stand der Technik sind bereits Methoden zur Bestimmung des Widerstandswerts einer Batteriezelle bekannt, wobei in Abhängigkeit davon wiederum eine Bestimmung einer Zellalterung durchgeführt werden kann. Insbesondere wird hierbei auf das sogenannte Pulsverfahren beziehungsweise auf das Pulskonturverfahren zurückgegriffen. Dabei wird die Batteriezelle mit einem positiven oder negativen Strompuls belastet, was eine Änderung der Zellspannung hervorruft. Die Spannungsänderung setzt sich dabei grob aus einem instantanen und einem dynamischen Spannungsabfall zusammen. Der dynamische Spannungsabfall nimmt dabei mit fortlaufender Zeit immer weiter zu. Mit Hilfe des bestimmten Widerstands lässt sich nach dem Widerstand eine definierte Zellalterung bestimmen. Dabei wird der Widerstand mit dem entsprechend hinterlegten Referenzwiderstand neuer Zellen verglichen, welcher bei der gleichen Temperatur und dem State-of-Charge (SOC), also dem Ladezustand, bestimmt ist.
  • Überträgt man jedoch das laboratorische Pulsverfahren in eine automotive Umgebung, so ergeben sich zahlreiche Abweichungen. Schon allein bedingt durch die nicht vergleichbare Anregung der Zelle und die geringere Abtastfrequenz im Kraftfahrzeug werden die Informationen von Strom und Spannung im Kraftfahrzeug mit Abweichungen bereitgestellt. Dies führt zu einer erhöhten Ungenauigkeit bei der Bestimmung des Widerstandswerts und letztlich bei der Bestimmung der Zellalterung.
  • Die DE 10 2009 050 572 A1 betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Alterungszustandes einer Batterie, insbesondere einer Lithium Batterie. Bei dem Verfahren werden die im Betrieb der Batterie auftretenden Signalverläufe aufgenommen, aus den Signalverläufen Werte bestimmt und aus diesen Werten Kenndaten ermittelt. Aus diesen Kenndaten wird auf den Alterungszustand der Batterie geschlossen. Es wird der zeitliche Verlauf von Anregungssignalen zu Beginn eines Betriebsmodus erfasst und diejenigen Signalverläufe als Anregungssignale gewählt, die die Batterie belasten und die im regulären Betriebsmodus zu dessen Beginn auftreten.
  • Die DE 10 156 891 A1 offenbart eine Erkennung der Funktionsfähigkeit einer Batterie bei einem Verfahren zur Überwachung der Batterie zur Bereitstellung einer Spannung für ein Bordnetz, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, anhand der Bestimmung der Leistungsfähigkeit der Batterie während einer Hochstromphase, insbesondere eines Startvorgangs. Hierbei werden Strom und Spannung gemessen, wobei mittels des gemessenen Stroms und der gemessenen Spannung ein differenzieller Innenwiderstand anhand linearer Regression ermittelt wird.
  • Die DE 10 2010 000 612 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Erfassung des Zustands einer Batterie, die als Leistungsquelle zum Ankurbeln eines Verbrennungsmotors dient, mit einer Erfassungseinheit und einer Innenwiderstands-Berechnungseinheit. Die Erfassungseinheit erfasst einen Strom und eine Spannung der Batterie während eines Zeitraums, in dem der Verbrennungsmotor angekurbelt wird, und gibt einen Parameter aus, der mit dem erfassten Strom und/oder der erfassten Spannung der Batterie in Zusammenhang steht. Wenn ein Änderungsumfang des Parameters innerhalb eines bestimmten Zeitraums, der im Ankurbelungszeitraum enthalten ist, bei oder über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, berechnet die Innenwiderstands-Berechnungseinheit einen inneren Widerstand der Batterie auf Basis von Werten für den Strom und die Spannung der Batterie, wobei die Werte für den Strom und für die Spannung innerhalb des bestimmten Zeitraums erfasst werden.
  • In der DE 10 2007 004 368 A1 ist eine Vorrichtung vorgesehen, um eine Versorgungsspannung in einer Stromversorgungsleitung, die sich von einem Erzeuger erstreckt und mit einer Batterie und elektrischen Lasten verbunden ist, zu steuern. Die Vorrichtung ist an einem Fahrzeug angebracht und weist eine Erfassungsvorrichtung, einen Rechner und eine Steuerung auf. Die Erfassungsvorrichtung erfasst Paare einer Spannung und eines Stroms der Batterie. Der Rechner berechnet einen Steuerstrom auf der Basis der erfassten Paare einer Spannung und eines Stroms und einer Zielspannung für die Versorgungsspannung. Die Paare einer Spannung und eines Stroms werden verwendet, um einen Innenwiderstand und/oder eine Regressionsgerade der Batterie zu berechnen. Die Steuerung steuert einen Lade- und Entladestrom der Batterie auf der Basis des Steuerstroms, so dass die Versorgungsspannung zu der Zielspannung gesteuert wird.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Auswertevorrichtung zu schaffen, mittels welchen eine verbesserte Erfassung eines Widerstandswerts einer Batteriezelle innerhalb eines elektrischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs durchgeführt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie durch eine Auswertevorrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines aktuellen Widerstandswerts einer Batteriezelle eines elektrischen Energiespeichers eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs mittels einer Auswertevorrichtung des Kraftfahrzeugs. Es werden ein Stromsignal und ein Spannungssignal der Batteriezelle erfasst, und es werden eine erste Stromdifferenz im Stromsignal und eine dazu korrelierende erste Spannungsdifferenz im Spannungssignal innerhalb eines vorgegebenen ersten Zeitfensters mittels einer Erfassungseinrichtung der Auswertevorrichtung erzeugt. Es erfolgt ein Erzeugen einer zweiten Stromdifferenz im Stromsignal einer zu korrelierenden zweiten Spannungsdifferenz im Spannungssignal in zumindest einem vorgegebenen zweiten Zeitfenster mittels der Erfassungseinrichtung. Die zumindest zwei Stromdifferenzen und die zumindest zwei Spannungsdifferenzen werden durch eine lineare Regression ausgewertet, und es wird eine Regressionsgerade mittels einer elektronischen Recheneinrichtung der Auswertevorrichtung erzeugt. Der aktuelle Widerstandswert der Batteriezelle wird in Abhängigkeit von einer ermittelten Steigung der Regressionsgeraden mittels der elektronischen Recheneinrichtung bestimmt.
  • Insbesondere kann somit eine akkurate, kontinuierliche und geringvolatile Bestimmung des Widerstandswerts, welcher auch als Zellwiderstand bezeichnet werden kann, und der Zellalterung über eine gesamte Nutzungsdauer einer Batteriezelle im realen Fahrbetrieb realisiert werden. Außerdem können Widerstände mit unterschiedlichen Pulslängen bestimmt werden.
  • Insbesondere sieht die Erfindung somit vor, dass die Widerstandswertbestimmung durch einen stochastischen Ansatz, bei dem den Spannungs- und Stromdifferenzen einer betriebenen Batteriezelle unterstellt wird, dass diese miteinander korrelieren, durchgeführt wird. Kontinuierlich bestimmte Strom- und Spannungsdifferenzen werden durch ein mehrfaches Zeitfenster, welches auch als sogenanntes „Sliding-Window“ bezeichnet werden kann, erfasst und während der Fahrt gesammelt. Die ausgewählten Daten werden, wenn verfügbar, jede Zykluszeit durch eine lineare Regression ausgewertet. Das Ergebnis der linearen Regression ist eine Regressionsgerade, dessen mathematische Steigung dem Zellwiderstand in der Einheit Ohm entspricht. Mit Hilfe des bestimmten aktuellen Widerstandswerts und eines beispielsweise vorher bekannten Referenzwiderstands kann dann in einem nächsten nachgelagerten Schritt beispielsweise die Zellalterung, welche auch als SOHR bezeichnet werden kann, bestimmt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform wird der aktuelle Widerstandswert mit einem Referenzwiderstandswert mittels der elektronischen Recheneinrichtung verglichen und in Abhängigkeit von dem Vergleich ein Alterungszustand (auch Gesundheitszustand) der Batteriezelle bestimmt. Mit anderen Worten ist vorgesehen, dass in Abhängigkeit des aktuellen Widerstandswerts der Alterungszustand (auch Gesundheitszustand) der Batteriezelle bestimmt wird. Insbesondere wird dieser dabei ins Verhältnis gesetzt mit einem Referenzwiderstandswert. Bei dieser Bestimmung handelt es sich insbesondere um ein SOHR-Verfahren. Insbesondere kann somit eine Überwachung des Alterungszustands der Batteriezelle über die gesamte Lebensdauer der Batteriezelle im Kraftfahrzeug realisiert werden.
  • Weiterhin vorteilhaft ist, wenn die Bestimmung des Widerstandswerts kontinuierlich während eines Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs durchgeführt wird. Insbesondere ist es somit ermöglicht, dass nicht nur bei beispielsweise einem Start des Kraftfahrzeugs oder bei anderen eventbasierten Messungen der aktuelle Widerstandswert bestimmt wird. Somit kann eine kontinuierliche Überwachung des Widerstandswerts realisiert werden.
  • Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Strompulslänge eines Strompulses, welche auf die Batteriezelle innerhalb eines Zeitfensters wirkt, bestimmt wird und die bestimmte Strompulslänge bei der Bestimmung des aktuellen Widerstandswerts berücksichtigt wird. Insbesondere ist der Zellwiderstand sehr dynamisch und abhängig von der Pulsdauer. Je länger ein Puls ist desto höher ist der resultierende Widerstandswert der Batteriezelle während seiner Alterung. Grund hierfür sind interne Zellmechanismen, welche mit unterschiedlichen Zeitkonstanten stattfinden und sich zeitlich verzögert auf den Widerstandswert auswirken. Durch die Berücksichtigung der Strompulslänge kann somit verbessert der aktuelle Widerstandswert bestimmt werden.
  • Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zum Bestimmen der Strompulslänge das vorgegebene Zeitfenster in kleinere Teilzeitfenster eingeteilt wird und die Teilzeitfenster auf einem potentiellen Strompuls mittels der elektronischen Recheneinrichtung untersucht werden. Insbesondere, um beispielsweise die Widerstandswerte bei variablen Pulslängen zu bestimmen, werden innerhalb des ersten Sliding-Windows, wobei hierbei insbesondere zeitlich das erste Zeitfenster gemeint ist, weitere Teilzeitfenster, welche auch als kleine Sliding-Windows bezeichnet werden können, mit gleichem Startpunkt eingeführt. Durch die mehreren Sliding-Windows mit immer kleiner werdenden Fensterbreiten, aber gleichbleibenden Abständen zueinander, können potentielle Pulse abgetastet werden. Tritt beispielsweise im äußersten Zeitfenster eine Stromdifferenz auf aber im kleineren nicht, so kann der Strompuls mit einer Pulslänge von tPuls = tFensten1 - tFenster2 klassifiziert werden. Je mehr Teilzeitfenster innerhalb des Zeitfensters, desto genauer ist die Bestimmung der Strompulslänge. Dementsprechend kann eine Kategorisierung von Widerstandswerten anhand unterschiedlicher Pulslängen stattfinden.
  • Ebenfalls vorteilhaft ist, wenn zum Bestimmen des Strompulses innerhalb des Stromsignals mittels einer Filtereinrichtung der elektronischen Recheneinrichtung das Stromsignal innerhalb des Zeitfensters gefiltert wird, wobei eine absolute Änderung des Stroms im Stromsignal und ein Schwellwert für den Strom berücksichtigt werden. Insbesondere ist es dadurch ermöglicht, um ungeeignete Realpulse nicht in der linearen Regression auszuwerten und zur Widerstandsauswertung zu nutzen, dass die Filtereinrichtung genutzt wird. Diese Filtereinrichtung sieht vor, dass, angefangen von kleinsten Teilzeitfenstern, jede Stromdifferenz des nächstgrößeren Teilzeitfensters größer oder gleich sein muss. Außerdem muss eine absolute Schwelle für den Strompuls überschritten werden. Somit kann der Strompuls zuverlässig bestimmt werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform wird ein Fahrprofil eines Fahrers des Kraftfahrzeugs bestimmt, und in Abhängigkeit des bestimmten Fahrprofils ein Korrekturfaktor für den aktuellen Widerstandswert bestimmt, und der Korrekturfaktor wird beim Bestimmen des aktuellen Widerstandswerts berücksichtigt. Der von der Pukslänge abhängige Korrekturfaktor muss hierzu ermittelt werden, damit der Widerstand aus der Labormessung mit der Pulslänge t im realen Fahrbetrieb korrekt widergegeben wird. Insbesondere ist dabei das Ziel, dass eine Gaußsche-Verteilung der Widerstandswerte mit dem Mittelwert von 0% realisiert werden kann. Die Standardabweichung ist dabei maßgeblich abhängig vom Fahrprofil des Fahrers beziehungsweise der Belastung der Batteriezelle. Mittels eines entsprechenden Histogramms kann dies online im Kraftfahrzeug beziehungsweise in der elektronischen Recheneinrichtung bestimmt werden, um so zu Beginn einer Zellalterung den notwendigen Korrekturfaktor, welcher insbesondere dem Mittelwert des Histogramms entspricht, über die gesamte Zellalterung zu bestimmen. Somit kann das Fahrprofil entsprechend berücksichtigt werden.
  • Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zum Bestimmen des aktuellen Widerstandswerts eine Vielzahl von bestimmten Widerstandswerten bestimmt wird und mittels eines Tiefpassfilters die Vielzahl von Widerstandswerten gefiltert wird. Hier kann somit die Wirkung von sogenannten Ausreißern, welche beispielsweise auf Basis zu hoher oder zu niedriger Widerstandswerte auftauchen können, abgefangen werden, wodurch hierbei kontinuierlich der bestimmte Widerstand den Tiefpassfilter durchläuft, der sich bei einer ausreichenden Anzahl von bestimmten Widerstandswerten dem aktuellen Widerstand annähert.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform wird eine aktuelle Temperatur der Batteriezelle bei der Bestimmung des aktuellen Widerstandswerts berücksichtigt. Insbesondere ist der Widerstandswert der Batteriezelle stark beeinflusst von der Temperatur. Insbesondere bei der Bestimmung einer optimalen Pulslänge für die Bestimmung des Alterungszustandes ist zum Bestimmen des aktuellen Widerstandswerts die Temperatur von entscheidender Bedeutung. Beispielsweise bewegt sich die „optimale“ Strompulslänge bei höheren Temperaturen hin zu kürzeren Strompulslängen, wobei sie bei niedrigen Temperaturen tendenziell hin zu längeren Strompulslängen führt.
  • Bei dem Verfahren handelt es sich insbesondere um ein computerimplementiertes Verfahren. Insbesondere ist hierzu ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln vorgesehen, welche, wenn diese auf einer elektronischen Recheneinrichtung abgearbeitet werden, die elektronische Recheneinrichtung dazu veranlassen, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Das Computerprogrammprodukt kann dabei insbesondere auf einem erfindungsgemäßen computerlesbaren Speichermedium abgespeichert sein.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Auswertevorrichtung zum Bestimmen eines aktuellen Widerstandswerts einer Batteriezelle eines elektrischen Batteriespeichers eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs, mit zumindest einer Erfassungseinrichtung und mit einer elektronischen Recheneinrichtung, wobei die Auswertevorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach dem vorhergehenden Aspekt ausgebildet ist. Insbesondere wird das Verfahren mittels der Auswertevorrichtung durchgeführt. Die Auswertevorrichtung kann beispielsweise ein Batteriemanagementsystem sein.
  • Ein nochmals weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher mit einer Auswertevorrichtung nach dem vorhergehenden Aspekt. Der elektrische Energiespeicher kann insbesondere als Traktionsbatterie für ein zumindest teilweise elektrisch betriebenen, insbesondere für ein vollelektrisch betriebenes, Kraftfahrzeug ausgebildet sein. Ferner betrifft die Erfindung auch ein zumindest teilweise elektrisch betriebenes, insbesondere ein vollelektrisch betriebenes, Kraftfahrzeug.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Verfahrens sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Auswertevorrichtung, des elektrischen Energiespeichers sowie des Kraftfahrzeugs anzusehen. Die Auswertevorrichtung, der elektrische Energiespeicher sowie das Kraftfahrzeug weisen dazu gegenständliche Merkmale auf, welche eine Durchführung des Verfahrens oder eine vorteilhafte Ausgestaltungsform davon ermöglichen.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Dabei zeigt die einzige Figur ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Auswertevorrichtung für eine Ausführungsform eines elektrischen Energiespeichers einer Ausführungsform eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs.
  • In der Figur sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Die Figur zeigt als schematisches Blockschaltbild eine Ausführungsform einer Auswertevorrichtung 10. Die Auswertevorrichtung 10 ist zum Bestimmen eines aktuellen Widerstandswerts 12 einer Batteriezelle 14 eines elektrischen Energiespeichers 16 eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs 18 ausgebildet. Die Auswertevorrichtung 10 weist dabei zumindest eine Erfassungseinrichtung 20 und eine elektronische Recheneinrichtung 22 auf.
  • Beim Verfahren zum Bestimmen des aktuellen Widerstandswerts 12 wird mittels der Erfassungseinrichtung 20 ein Stromsignal 24 der Batteriezelle 14 und ein Spannungssignal 26, welches mit dem Stromsignal 24 korreliert, erfasst. Es erfolgt ein Erzeugen einer ersten Stromdifferenz ΔI1 im Stromsignal 24 und einer ersten dazu korrelierenden Spannungsdifferenz ΔU1 im Spannungssignal 26 innerhalb eines ersten Zeitfensters 28. Es erfolgt ein Erzeugen einer zweiten Stromdifferenz ΔI2 im Stromsignal 24 und einer dazu korrelierenden zweiten Spannungsdifferenz ΔU2 im Spannungssignal 26 in zumindest einem vorgegebenen zweiten Zeitfenster 30. Die zumindest zwei Stromdifferenzen ΔI1, ΔI2 und die zumindest zwei Spannungsdifferenzen ΔU1, ΔU2 werden auf Basis einer linearen Regression 44 ausgewertet, und es erfolgt ein Erzeugen einer Regressionsgerade 32 mittels der elektronischen Recheneinrichtung 22. Der aktuelle Widerstandswert 12 der Batteriezelle 14 wird dann in Abhängigkeit von einer ermittelten Steigung m der Regressionsgerade 32 mittels der elektronischen Recheneinrichtung 22 bestimmt.
  • Insbesondere ist gezeigt, dass zum Bestimmen des aktuellen Widerstandswerts 12 eine Vielzahl von bestimmten Widerstandswerten R1, R2, ..., Rn bestimmt wird und mittels eines Tiefpassfilters die Vielzahl von Widerstandswerten R1, R2, ..., Rn gefiltert werden.
  • Insbesondere ist vorgesehen, dass der aktuelle Widerstandswert 12 mit einem Referenzwiderstand 34 mittels der elektronischen Recheneinrichtung 22 verglichen wird und in Abhängigkeit von dem Vergleich ein Alterungszustand (oder Gesundheitszustand) 36 der Batteriezelle 14 bestimmt wird. Die Bestimmung des aktuellen Widerstandswerts 12 kann dabei kontinuierlich und während eines Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs 18 durchgeführt werden.
  • Der Referenzwiderstand 34 ist insbesondere abhängig von einer Temperatur T1, T2, ..., Tn sowie abhängig von einem Ladezustand SOC1, SOC2, ..., SOCn mit dem Pulskorrekturverfahren unter Laborbedingungen bestimmt.
  • Ferner kann insbesondere vorgesehen sein, dass eine Strompulslänge eines Strompulses, welcher auf die Batteriezelle 14 innerhalb eines Zeitfensters 28, 30 wirkt, bestimmt wird und die bestimmte Strompulslänge bei der Bestimmung des aktuellen Widerstandswerts 12 berücksichtigt wird. Insbesondere kann zum Bestimmen der Strompulslänge das vorgegebene Zeitfenster 28, 30 in kleinere Teilzeitfenster eingeteilt werden und die Teilzeitfenster auf einem potentiellen Strompuls mittels der elektronischen Recheneinrichtung 22 untersucht werden. Zum Bestimmen des Strompulses innerhalb des Stromsignals 24 kann insbesondere mittels einer Filtereinrichtung 38 der elektronischen Recheneinrichtung 22 das Stromsignal 24 innerhalb des Zeitfensters 28, 30 gefiltert werden, wobei eine absolute Änderung des Stroms im Stromsignal 24 und ein Schwellwert für den Strom berücksichtigt werden.
  • Ferner ist gezeigt, dass insbesondere ein Fahrprofil 40 eines Fahrers des Kraftfahrzeugs 18 bestimmt wird und in Abhängigkeit des bestimmten Fahrprofils 40 ein Korrekturfaktor 42 für den aktuellen Widerstandswert 12 bestimmt wird und der Korrekturfaktor 42 beim Bestimmen des aktuellen Widerstandswerts 12 berücksichtigt wird, um den Widerstand/Referenzinnenwiderstand aus den Laboruntersuchungen genau wiederzugeben.
  • Insbesondere ist somit eine technische Lösung vorgeschlagen, die eine kontinuierliche Bestimmung des Widerstandswerts 12 im Kraftfahrzeug 18 basierend auf einem stochastischen Ansatz durchführt. Grundlegend wird der Batteriezelle 14 dabei unterstellt, dass die Stromdifferenzen ΔI1, ΔI2 ..., AIn und die Spannungsdifferenzen ΔU1, ΔU2, ..., ΔUn während des Fahrbetriebs miteinander korrelieren. Ein definiertes Sliding-Window, welches dem Zeitfenster 28, 30 entspricht, sammelt kontinuierlich eine durch den Entwickler definierbare Anzahl von Strom- und Spannungsdifferenzen ΔI1, ΔI2 ... , ΔIn, ΔU1, ΔU2, ..., ΔUn im realen Fahrbetrieb. Die gesammelten Daten werden pro Zykluszeit durch eine lineare Regression 30 ausgewertet, wobei das Ergebnis daraus die Regressionsgerade 32 ist. Durch die Annahme der Korrelation von den Strom- und Spannungsdifferenzen ΔI1, ΔI2 ..., ΔIn, ΔU1, ΔU2, ..., ΔUn und einer mathematischen Herleitung in Anlehnung an das ohmsche Gesetz ist die Steigung m aus der gewonnenen Regressionsgeraden 32 äquivalent zum aktuellen Widerstandswert 12 der Batteriezelle 14.
  • Aus den grundlegenden Auswertungen ist insbesondere festgestellt worden, dass sich der aktuelle Widerstandswert 12 sehr dynamisch verhält und eine Abhängigkeit von der Strompulsdauer aufweist. Je länger ein Strompuls, desto höher der resultierende aktuelle Widerstandswert 12 der Batteriezelle 14 während seiner Alterung. Grund hierfür sind interne Zellmechanismen, welche mit unterschiedlichen Zeitkonstanten stattfinden und sich zeitlich verzögert auf den aktuellen Widerstandswert 12 auswirken. Es kann festgestellt werden, dass aktuelle Widerstandswerte 12 mit einer Strompulsdauer von 0,65 s und bei 25°C über die gesamte Zellalterung optimal für die Bestimmung des aktuellen Widerstandswerts 12 beziehungsweise des Alterungszustand 36 sind, da in diesem Bereich die höchste Differenzierbarkeit dess vorhanden ist. Verändert sich die Zellchemie, so kann sich die „optimale“ Strompulslänge verändern, die Varianz der Temperatur T1, T2, ..., Tn hat insbesondere ebenfalls Einfluss auf den aktuellen Widerstandswert 12. Insbesondere konnte dabei festgestellt werden, dass die optimale Strompulslänge bei höheren Temperaturen T1, T2, ..., Tn hin zu kurzen Strompulslängen bei niedrigen Temperaturen T1, T2, ..., Tn tendenziell hin zu längeren Strompulsen führen.
  • Aufgrund der Gegebenheit, dass sich die optimale Strompulslänge je nach Bedingung ändert, ist der Algorithmus vorliegend in der Lage, Widerstände mit variablen Pulslängen bestimmen zu können. Um diese Funktion zu ermöglichen, werden innerhalb des äußersten Sliding-Windows, also beispielsweise des ersten Zeitfensters 28, mit applizierbarer Fensterbreite, weitere Teilzeitfenster mit gleichen Startpunkt eingeführt. Durch die mehreren Teilzeitfenster mit immer kleiner werdenden Fensterbreiten, aber gleichen Abständen zueinander, können potentielle Strompulse abgetastet werden. Tritt beispielsweise im äußersten Zeitfenster 28 eine Stromdifferenz ΔI1, ΔI2 ..., ΔIn auf im nächstkleineren nicht, so kann der Strompuls mit einer Pulslänge von tPuls = tFenster1 - tFenster2 klassifiziert werden. Je höher die Anzahl der Teilzeitfenster innerhalb des Zeitfensters 28, 30 ist desto genauer ist die Bestimmung der Strompulslänge möglich. Dementsprechend kann eine Kategorisierung von Widerstandswerten R1, R2, ..., Rn anhand unterschiedlicher Strompulslänge stattfinden.
  • Damit ungeeignete Realpulse nicht berücksichtigt werden, wird die Filtereinrichtung 38 eingesetzt. Diese Filtereinrichtung 38 sieht dabei vor, dass angefangen vom kleinsten Teilzeitfenster jede Stromdifferenz ΔI1, ΔI2 ..., ΔIn des nächstgrößeren Teilzeitfensters größer oder gleich sein muss. Außerdem muss eine absolute Schwelle überschritten werden. Insbesondere wird der aktuelle Widerstandswert 12 mit dem Referenzwiderstandswert 34 aus den Zeitmessungen beziehungsweise Referenzmessungen verglichen. Die Standardabweichung ist insbesondere maßgeblich abhängig vom Fahrprofil 40 des Fahrers beziehungsweise von der Belastung der Batteriezelle 14. Hierbei entsteht insbesondere ein Histogramm, wobei das Histogramm insbesondere online im Kraftfahrzeug 18 beziehungsweise in der elektronischen Recheneinrichtung 22 berechnet wird, um so zu Beginn der Zellalterung den notwendigen Korrekturfaktor 42, welcher insbesondere dem Mittelwert des Histogramms entspricht, über die gesamte Zellalterung zu bestimmen. Dieser ist insbesondere gültig für alle kategorisierten Zellwiderstände bei gleichem Fahrprofil. Um die Wirkung von „Ausreißern“ abzufangen, wird der kontinuierlich bestimmte Widerstand R1, R2, ..., Rn durch einen Tiefpassfilter laufen, der sich bei einer ausreichenden Anzahl von bestimmten Widerständen R1, R2, ..., Rn dem optimalen beziehungsweise gewünschten beziehungsweise aktuellen Widerstandswert 12 annähert.
  • Insgesamt zeigt die Erfindung eine kontinuierliche Widerstands- und Alterungsbestimmung von der Batteriezelle 14 im realen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs 18.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Auswertevorrichtung
    12
    aktueller Widerstandswert
    14
    Batteriezelle
    16
    elektrischer Energiespeicher
    18
    Kraftfahrzeug
    20
    Erfassungseinrichtung
    22
    elektronische Recheneinrichtung
    24
    Stromsignal
    26
    Spannungssignal
    28
    erstes Zeitfenster
    30
    zweites Zeitfenster
    32
    Regressionsgerade
    34
    Referenzwiderstandswert
    36
    Gesundheitszustand
    38
    Filtereinrichtung
    40
    Fahrprofil
    42
    Korrekturfaktor
    44
    lineare Regression
    m
    Steigung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009050572 A1 [0004]
    • DE 10156891 A1 [0005]
    • DE 102010000612 A1 [0006]
    • DE 102007004368 A1 [0007]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Bestimmen eines aktuellen Widerstandswerts (12) einer Batteriezelle (14) eines elektrischen Energiespeichers (16) eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs (18) mittels einer Auswertevorrichtung (10) des Kraftfahrzeugs (18), mit den Schritten: - Erfassen eines Stromsignals (24) und eines Spannungssignals (26) der Batteriezelle (14) und Erzeugen einer ersten Stromdifferenz (ΔI,) im Stromsignal (24) und einer dazu korrelierenden ersten Spannungsdifferenz (ΔU1) im Spannungssignal (26) innerhalb eines vorgegebenen ersten Zeitfensters (28) mittels einer Erfassungseinrichtung (20) der Auswertevorrichtung (10); - Erzeugen einer zweiten Stromdifferenz (ΔI2) im Stromsignal (24) und einer dazu korrelierenden zweiten Spannungsdifferenz (ΔU2) im Spannungssignal (26) in zumindest einem vorgegebenen zweiten Zeitfenster (30) mittels der Erfassungseinrichtung (20); - Auswerten der zumindest zwei Stromdifferenzen (ΔI1, ΔI2) und der zumindest zwei Spannungsdifferenzen (ΔU1, ΔU2) durch eine lineare Regression (44) und Erzeugen einer Regressionsgeraden (32) mittels einer elektronischen Recheneinrichtung (22) der Auswertevorrichtung (10); und - Bestimmen des aktuellen Widerstandswerts (12) der Batteriezelle (14) in Abhängigkeit von einer ermittelten Steigung (m) der Regressionsgeraden (32) mittels der elektronischen Recheneinrichtung (22).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle Widerstandswert (12) mit einem Referenzwiderstandswerts (34) mittels der elektronischen Recheneinrichtung (22) verglichen wird und in Abhängigkeit von dem Vergleich ein Alterungszustand der Batteriezelle (14) bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des aktuellen Widerstandswerts (12) kontinuierlich während eines Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs (18) durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strompulslänge eines Strompulses, welcher auf die Batteriezelle (14) innerhalb eines Zeitfensters (28, 30) wirkt, bestimmt wird und die bestimmte Strompulslänge bei der Bestimmung des aktuellen Widerstandswerts (12) berücksichtigt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen der Strompulslänge das vorgegebene Zeitfenster (28, 30) in kleinere Teilzeitfenster eingeteilt wird und die Teilzeitfenster auf einen potentiellen Strompuls mittels der elektronischen Recheneinrichtung (22) untersucht werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen des Strompulses innerhalb des Stromsignals (24) mittels einer Filtereinrichtung (38) der elektronischen Recheneinrichtung (22) das Stromsignal (24) innerhalb des Zeitfensters (28, 30) gefiltert wird, wobei eine absolute Änderung des Stroms im Stromsignal (24) und ein Schwellwert für den Strom berücksichtigt werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fahrprofil (40) eines Fahrers des Kraftfahrzeugs (18) bestimmt wird und in Abhängigkeit des bestimmten Fahrprofils (40) ein Korrekturfaktor (42) für den aktuellen Widerstandswert (12) bestimmt wird und der Korrekturfaktor (42) beim Bestimmen des aktuellen Widerstandswerts (12) berücksichtigt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen des aktuellen Widerstandswerts (12) eine Vielzahl von bestimmten Widerstandswerten (R1, R2, ..., Rn) bestimmt wird und mittels eines Tiefpassfilters die Vielzahl von Widerstandswerten (R1, R2, ..., Rn) gefiltert wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine aktuelle Temperatur (T1, T2, ..., Tn) der Batteriezelle (14) bei der Bestimmung des aktuellen Widerstandswerts (12) berücksichtigt wird.
  10. Auswertevorrichtung (10) zum Bestimmen eines aktuellen Widerstandswerts (12) einer Batteriezelle (14) eines elektrischen Energiespeichers (16) eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs (18), mit zumindest einer Erfassungseinrichtung (20) und mit einer elektronischen Recheneinrichtung (22), wobei die Auswertevorrichtung (10) zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.
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