DE10342633B4

DE10342633B4 - Charge state determination by means of highly dynamic current pulses

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Publication number: DE10342633B4
Application number: DE10342633A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Prof. Dr.-Ing. Beck; Otmar Dipl.-Ing. Bitsche; Markus Dipl.-Phys. Bulling; Carsten Dipl.-Ing. Ropeter; Bernd Dr.rer.nat. Spier; Heinz Dr.rer.nat. Wenzl
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-09-12
Filing date: 2003-09-12
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2023-09-13
Also published as: DE10342633A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands wiederaufladbarer Batterien,
gekennzeichnet durch die Gemeinsamkeit der nachfolgenden Verfahrensschritte,
– die Batterie wird mit sprunghaften Stromänderungen einer Steilheit im Bereich von 0,1 bis 500 Ampere pro Mikrosekunde beaufschlagt und
– der als Antwort resultierenden Spannungspuls der Batterie wird simultan mit einer zeitlichen Auflösung im Bereich 1 bis 1000 MHz detektiert,
– als charakteristisches Merkmal des Spannungspulses wird das Spannungsmaximum detektiert,
– der Ladezustand der Batterie wird durch Vergleich der charakteristischen Merkmale des Spannungspulses mit gespeicherten Kenndaten ermittelt, wobei
– zusätzlich aktuelle Betriebsparamter der Batterie, z.B. die Arbeitstemperatur, erfaßt und zur Bestimmung des Ladezustands einbezogen werden.Method for determining the state of charge of rechargeable batteries,
characterized by the commonality of the subsequent process steps,
- The battery is charged with sudden changes in current of a slope in the range of 0.1 to 500 amps per microsecond and
The voltage pulse of the battery resulting in response is detected simultaneously with a time resolution in the range 1 to 1000 MHz,
As a characteristic feature of the voltage pulse, the voltage maximum is detected,
- The state of charge of the battery is determined by comparing the characteristics of the voltage pulse with stored characteristic data, wherein
- In addition current operating parameters of the battery, such as the working temperature, detected and included to determine the state of charge.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Anordnungen zur Bestimmung des Ladezustands wiederaufladbarer Batterien.The The invention relates to methods and arrangements for determining the Charge state of rechargeable batteries.

Der Entladegrad einer wiederaufladbaren Batterie ist eine wichtige Information für ein effizientes Energie- und Batteriemanagement. Durch Kenntnis des aktuellen Ladezustands können einerseits noch zulässige Belastungen und Reserven kalkuliert werden, andererseits eventuell erforderliche Aufladungen in Umfang und Dauer festgelegt und eingeleitet werden. Ein Überladen der Batterie ist damit gleichzeitig vermeidbar. Die Information über den Ladezustand soll dabei möglichst während des Betriebszustands bestimmt werden, d.h. ohne dass die sondierte Batterie aus ihrer Betriebsumgebung entfernt werden muss.Of the Discharge level of a rechargeable battery is important information for a efficient energy and battery management. By knowing the current state of charge on the one hand still permissible Loads and reserves are calculated, on the other hand possibly required charges are set in scope and duration and initiated become. An overload the battery is thus avoidable at the same time. The information about the Charge state should be as possible while of the operating condition, i. without the probed Battery must be removed from its operating environment.

Aus der zugrunde gelegten US 2003/0206021 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands wieder aufladbarer Batterien bekannt, bei dem die Batterie mit einer sprunghaften Stromänderung beaufschlagt wird. Der als Antwort resultierende Spannungspuls der Batterie wird simultan mit hoher zeitlicher Auflösung im Bereich von MHz bis GHz erfasst und charakteristische Merkmale des Spannungspulses detektiert. Der Ladezustand der Batterie wird dann aus den charakteristischen Merkmalen des Spannungspulses ermittelt.Out the underlying US 2003/0206021 A1 is a method for determining the Charge state of rechargeable batteries known in which the battery with a sudden change in current is charged. The resulting voltage pulse in response Battery is operated simultaneously with high temporal resolution in the range of MHz to GHz detected and detected characteristic features of the voltage pulse. The state of charge of the battery then becomes the characteristic features of the voltage pulse determined.

Aus der DE 198 31 723 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands einer wieder aufladbaren Batterie bekannt, bei der die Batterie mit einer sprunghaften Stromänderung beaufschlagt wird. Die resultierende Spannungsantwort der Batterie wird erfasst. Charakterische Merkmale dieser Spannungsantwort werden mit einem Vorgabewert verglichen. Aus diesem Vergleich wird auf die Leistungsfähigkeit der Batterie geschlossen.From the DE 198 31 723 A1 a method for determining the state of charge of a rechargeable battery is known in which the battery is subjected to a sudden change in current. The resulting voltage response of the battery is detected. Characteristic features of this stress response are compared with a default value. From this comparison, the performance of the battery is concluded.

Aus der DE 101 07 583 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit einer wieder aufladbaren Batterie bekannt, bei der die Batterie bei Hochstrombelastung mit einem sprunghaften Spannungsabfall beaufschlagt wird.From the DE 101 07 583 A1 a method for determining the performance of a rechargeable battery is known in which the battery is subjected to a surge voltage under high current load.

Ein Verfahren für eine Ladezustandsmessung als Teil eines Aufladeprozesses ist beschrieben in der Patentschrift US 6,094,033 . Dieses Verfahren geht dabei von Batterietypen aus, bei denen der Ladezustand mit einer entsprechenden elektrochemischen Überspannung korreliert ist. Zur Messung der aktuellen elektrochemischen Überspannung wird die Batterie mit einem (oder mehreren) Strompuls(en) beaufschlagt und die Spannungsantwort detektiert. Um Störungseffekte zu vermeiden, werden bei diesem Verfahren die generierten Spannungspulse nicht zeitgleich mit dem Strompuls, sondern erst nach einer gewissen Verzögerungszeit gemessen und für eine exakte Bestimmung der aktuellen elektrochemischen Überspannung der Batterie ausgewertet. Die erfaßten Frequenzbereiche der Spannungspulse liegen dabei im Bereich von 0,001 Hz bis etwa 250 Hz, also nur im Niederfrequenzbereich.A method for a state of charge measurement as part of a charging process is described in the patent US 6,094,033 , This method is based on battery types, in which the state of charge is correlated with a corresponding electrochemical overvoltage. To measure the current electrochemical overvoltage, the battery is charged with one (or more) current pulse (s) and the voltage response is detected. In order to avoid interference effects, the generated voltage pulses are not measured simultaneously with the current pulse, but only after a certain delay time in this method and evaluated for an accurate determination of the current electrochemical overvoltage of the battery. The detected frequency ranges of the voltage pulses are in the range of 0.001 Hz to about 250 Hz, ie only in the low frequency range.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein alternatives Verfahren und System zu entwickeln, dass eine schnelle und aussagefähige Bestimmung des aktuellen Ladezustands wiederaufladbarer Batterien ermöglicht.The The object of the invention is an alternative method and system to develop a quick and meaningful determination of the current Charge state of rechargeable batteries allows.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren entsprechend Anspruch 1.These Task is solved by the method according to claim 1.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren und den darin angegebenen Bezugszeichen näher erläutert.The Invention is described below with reference to the figures and the reference numerals specified therein explained in more detail.

Dabei zeigt:there shows:

1 Spannungsantworten bei sprunghaften Stromänderungen; 1 Voltage responses to sudden changes in current;

2 zeitaufgelöste Detaildarstellung einer Spannungsantwort; 2 time-resolved detailed representation of a voltage response;

3 Spannungsspitzenwerte der Spannungsantworten auf Stromsprünge von 50, 30 und 10 A als Funktion des Entladungsgrads (DOD). 3 Voltage peaks of the voltage responses to current jumps of 50, 30 and 10 A as a function of the degree of discharge (DOD).

Das erfindungsgemäße Verfahren und die zugeordnete Vorrichtung basieren auf einer Auswertung der zeitlich hoch aufgelösten Dynamik der unmittelbaren Spannungsantwort einer Batterie auf eine als Anregung aufgebrachte stufenförmige Stromänderung. Die ausgelösten Spannungspulse werden beim erfindungsgemäßen Verfahren simultan, d.h. ohne zeitliche Verzögerung, in hoher Zeitauflösung gemessen (beispielsweise im Nanosekunden-Bereich) und charakteristische Werte detektiert. Dabei ist wesentlich, dass die Stromänderung mit einer hohen Geschwindigkeit erfolgt, die je nach Größe der im System vorhandenen Induktivität vorzugsweise zwischen ca. 0,1 bis 500 A pro Mikrosekunde liegt. Für reproduzierbare Meßergebnisse sollte der Verlauf der Stromänderung dabei möglichst gleichmäßig sein und eine gute Wiederholgenauigkeit aufweisen.The inventive method and the associated device are based on an evaluation of temporally high resolution Dynamics of the immediate voltage response of a battery to a applied as a stimulus stepped current change. The triggered voltage pulses be in the process of the invention simultaneously, i. without time delay, measured in high time resolution (for example, in the nanosecond range) and characteristic values detected. It is essential that the current change at a high speed is done, depending on the size of the System existing inductance preferably between about 0.1 to 500 A per microsecond. For reproducible Measurement results should be the course of the current change as possible be even and have a good repeat accuracy.

1 zeigt den zeitlichen Verlauf aufgebrachter stufenförmiger Stromänderungen (1) und parallel die als Reaktion auftretenden Spannungspulse (2). In diesem Beispiel wurde als Batterie eine Nickel-Metallhydrid Zelle verwendet. Andere aufladbare Batterietypen können in gleicher Weise ausgewertet werden, wobei die Kurvenverläufe entsprechend individuelle Charakteristiken aufweisen können. 1 shows the time course of applied stepped current changes ( 1 ) and in parallel the voltage pulses ( 2 ). In this example, a nickel-metal hydride cell was used as the battery. Other types of rechargeable batteries can be evaluated in the same way, the curves can have correspondingly individual characteristics.

Die bei dieser Anordnung erreichten Stromsprünge betragen ca. 30 A und erfolgen in ca. 200 Nanosekunden. Sowohl positive als auch negative Flanken der Stromtreppe (1) generieren entsprechend gepolte Spannungspulse (2), die zur Auswertung herangezogen werden können.The current reached with this arrangement jumps are about 30 A and take place in about 200 nanoseconds. Both positive and negative flanks of the electric staircase ( 1 ) generate correspondingly polarized voltage pulses ( 2 ), which can be used for the evaluation.

Eine vergrößerte und zeitlich gedehnte Darstellung ist in 2 wiedergegeben. Als Ausschnitt wurde ein Anstieg (z.B. entsprechend Flanke 1 oder 4 in 1) des Stromverlaufs (1) mit der zugehörigen Spannungsantwort (2) gewählt. Der Stromanstieg erfolgt nahezu linear innerhalb von ca. 200 Nanosekunden. Die simultan aufgezeichnete Spannungsantwort von mehreren Volt setzt unmittelbar ein und weist eine Halbwertsbreite von etwa ebenfalls 200 ns auf.An enlarged and temporally stretched representation is in 2 played. As a section was a rise (eg corresponding edge 1 or 4 in 1 ) of the current profile ( 1 ) with the associated voltage response ( 2 ). The current increase occurs almost linearly within approximately 200 nanoseconds. The simultaneously recorded voltage response of several volts sets in immediately and has a half-width of approximately 200 ns.

In 2 sind zwei separat generierte Spannungsantworten übereinandergelegt. Deutlich ist erkennbar, dass beide die gleiche Charakteristik aufweisen: Anstiegssteilheit, Spannungsspitzenwerte, Halbwertsbreite und Abklingverlauf sind innerhalb der Messgenauigkeit praktisch identisch.In 2 Two separately generated voltage responses are superimposed. It can clearly be seen that both have the same characteristics: Rise slope, peak values, half-width and decay curve are practically identical within the measurement accuracy.

3 zeigt die Abhängigkeit des Maximums der Spannungsantwort auf eine eingeprägte Stromänderung vom jeweiligen Ladezustand einer Batterie (hier: NiMh-Zelle). Alle drei Messkurven (für aufgeprägte Stromsprünge von 10, 30 und 50 Ampere) zeigen, dass die Maximalwerte der generierten Spannungspulse eine deutliche Korrelation zum Ladezustand der Batterie aufweisen. In guter Näherung (noch innerhalb der Messgenauigkeit) kann hier – wie dargestellt – linear interpoliert werden, so dass in diesem Beispiel ein sehr einfaches Kennfeld entsteht. 3 shows the dependence of the maximum of the voltage response on an impressed current change from the respective state of charge of a battery (here: NiMh cell). All three measurement curves (for impressed current jumps of 10, 30 and 50 amperes) show that the maximum values of the generated voltage pulses have a clear correlation to the state of charge of the battery. In a good approximation (still within the measuring accuracy), linear interpolation can be performed here, as shown, so that in this example a very simple characteristic diagram is created.

Erfindungsgemäß werden Charakteristiken der Spannungsantworten zur Bestimmung des Ladezustands herangezogen. Dies kann beispielsweise durch Vergleich mit Daten erfolgen, die aus Messungen der Spannungsantworten bei unterschiedlichem und bekanntem Entladungsstand der Batterie erhalten wurden (entsprechend 3). Sind diese Werte einmal als Kennfeld ermittelt und z.B. im Speicher eines Mikroprozessorsystems abgelegt, so lassen sich generierten Spannungsantworten direkt Ladezustandswerte zuordnen. Im Betrieb muss nur die Batterie mit einem definierten Stromsprung angeregt werden. Die Span nungsantwort wird dabei von einer entsprechenden Messelektronik mit ausreichend hoher Abtastfrequenz (MHz bis GHz Bereich) aufgenommen und von einer Auswerteeinheit, z.B. mittels μ-Prozessor, charakteristische Merkmale (z.B. Maximum des Spannungspulses nach 2) ermittelt. Die Auswerteeinheit vergleicht den Messwert mit den gespeicherten Kennfelddaten (3) und gibt den korrespondierenden Ladezustand als Ergebnis zurück.According to the invention, characteristics of the voltage responses are used to determine the state of charge. This can be done for example by comparison with data obtained from measurements of the voltage responses at different and known discharge level of the battery (corresponding 3 ). Once these values have been determined as a characteristic diagram and stored, for example, in the memory of a microprocessor system, generated voltage responses can be directly assigned to state of charge values. During operation, only the battery must be excited with a defined current jump. The voltage response voltage is thereby recorded by a corresponding measuring electronics with sufficiently high sampling frequency (MHz to GHz range) and by an evaluation unit, for example by means of μ-processor, characteristic features (eg maximum of the voltage pulse to 2 ). The evaluation unit compares the measured value with the stored map data ( 3 ) and returns the corresponding state of charge as a result.

Wie aus 3 ersichtlich, können in speziellen Fällen auch einfache funktionale Zusammenhänge (hier: Proportionalität zwischen Spannungsspitze und Ladungszustand) vorliegen. Sind diese durch Kennfeldmessungen bekannt, kann der Ladezustand statt über einen Vergleich der aktuell gemessenen Spannungsantwort mit gespeicherten Kennfelddaten auch direkt aus den Messdaten errechnet werden.How out 3 it can be seen that in special cases also simple functional relationships (here: proportionality between voltage peak and charge state) are present. If these are known by map measurements, the state of charge can also be calculated directly from the measured data instead of comparing the currently measured voltage response with stored map data.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann dahingehend erweitert werden, dass auch zusätzliche Parameter für die Bestimmung des Ladezustands mit berücksichtigt werden. So kann beispielsweise eine veränderte Betriebstemperatur der Batterie mit einer entsprechenden Veränderung der Kennfelddaten einhergehen. Sind diese Effekte durch entsprechende Messungen bekannt und ebenfalls als Kennfelddaten gespeichert oder funktional beschreibbar, so läßt sich bei Einbeziehung der aktuellen Betriebsparameter (Messung der Batterietemperatur) in die Auswertungen die entsprechend korrigierte Ladezustandsbestimmung durchführen.The inventive method can be extended to include additional parameters for the determination of the state of charge become. For example, a changed operating temperature of Battery associated with a corresponding change in the map data. Are these effects known by appropriate measurements and also stored as map data or functionally writable, so can Including the current operating parameters (measurement of battery temperature) in the evaluations the corresponding corrected state of charge determination carry out.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die kontinuierliche Überwachung des Ladezustands ohne dass eine merkliche Unterbrechung der Stromversorgung im Betriebszustand auftritt. Zwar wird die Batterie während des Tests für einen sehr kurzen Augenblick mit einem Stromsprung belastet (z.B. durch Zu schaltung einer niederohmigen Last), so dass die beschriebenen Spannungsschwankungen auftreten. Diese sind jedoch von so kurzer Dauer (einige 100 Nanosekunden), dass sie für die meisten Verbraucher (Elektromotoren, Beleuchtungseinrichtung usw.) keine Auswirkung haben. Mittels einfacher Filterung können auch empfindlichere elektronische Verbraucher zuverlässig abgesichert werden.The inventive method allows continuous monitoring the state of charge without a noticeable interruption of the power supply occurs in the operating state. Although the battery is being used during the Tests for loaded with a current jump for a very short instant (e.g. Too circuit of a low-impedance load), so that described Voltage fluctuations occur. However, these are so short Duration (a few 100 nanoseconds) that they are available to most consumers (electric motors, Lighting device, etc.) have no effect. By simple filtering can Safely secure even more sensitive electronic consumers become.

Claims

Method for determining the state of charge of rechargeable batteries, characterized by the commonality of the following Process steps, - the Battery becomes with a steep current changes in a steepness in the Range of 0.1 to 500 amps per microsecond applied and - the as Response resulting voltage pulse of the battery becomes simultaneous with a temporal resolution in the Range 1 to 1000 MHz detected, - as a characteristic feature of the voltage pulse, the voltage maximum is detected, - the state of charge The battery is made by comparing the characteristic features the voltage pulse is determined with stored characteristic data, wherein - additionally current Operating parameters of the battery, e.g. the working temperature, recorded and to Determination of the state of charge can be included.