EP1941290A1 - Method for predicting the power capacity of an electrical energy store - Google Patents

Method for predicting the power capacity of an electrical energy store

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EP1941290A1
EP1941290A1 EP06807394A EP06807394A EP1941290A1 EP 1941290 A1 EP1941290 A1 EP 1941290A1 EP 06807394 A EP06807394 A EP 06807394A EP 06807394 A EP06807394 A EP 06807394A EP 1941290 A1 EP1941290 A1 EP 1941290A1
Authority
EP
European Patent Office
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charging
state
battery
pred
maximum
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06807394A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Eberhard Schoch
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Publication of EP1941290A1 publication Critical patent/EP1941290A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
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    • G01R31/367Software therefor, e.g. for battery testing using modelling or look-up tables
    • GPHYSICS
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    • G01R31/36Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/3644Constructional arrangements
    • G01R31/3647Constructional arrangements for determining the ability of a battery to perform a critical function, e.g. cranking

Definitions

  • the invention relates to a method for predicting the performance of electrical energy storage devices having the features of claim 1.
  • variables of an electrical energy or power storage device for a motor vehicle are determined.
  • Polarization, acid stratification or icing of the energy storage device, in particular a lead-acid battery, are not considered.
  • the inventive method with the features of claim 1 allows over the prior art, an improved determination of the relevant sizes of the energy storage.
  • This advantage is achieved by means of a mathematical model of the energy storage device, whose state variables and parameters are continuously adapted.
  • a mathematical model of the energy storage device whose state variables and parameters are continuously adapted.
  • an accurate prediction of the maximum charging and discharging power of the electric energy storage, in particular of a lead accumulator used in a motor vehicle by taking into account all relevant factors such as temperature, state of charge, Ohm 'shear internal resistance, polarization, acid stratification, aging and icing is possible.
  • the associated methods advantageously enable the model-based prediction of the current maximum charging and discharging power of an electrical energy store, taking into account in particular the permissible maximum charging voltage or the minimum vehicle electrical system voltage.
  • further specifications for the permissible maximum charge and / or discharge current and / or the minimum or maximum charge state can be taken into account.
  • the method according to the invention is also able, in a particularly advantageous manner, to determine the charging or discharging power to be expected at arbitrarily predeterminable temperatures and states of charge.
  • the available charging power of a battery with SOC 50% for cold start at -18 ° C can be determined.
  • the loading temperature which is fixed at a fixed temperature and or discharge capacity can also be used as a measure of the battery aging SOH (State of Health).
  • FIG. 1 shows an equivalent circuit diagram for lead accumulators
  • FIG. 2 shows a structural image of the power prediction
  • FIG. 3 shows a flow chart for the prediction of the discharge power
  • FIG. 4 shows a flow chart of the prediction of the charging power.
  • FIG. 1 shows the equivalent circuit diagram of a lead-acid battery used for power prediction.
  • the counting direction of the battery current I Batt was chosen to be positive for charging and negative for discharging.
  • R I (Uc ⁇ , U k , T Bat ,) R I ⁇ (T Bat ,) * (I + R I; fak , * (Uc ⁇ ma ⁇ -Uc ⁇ ) / (Uc ⁇ + U k -U e; border ))
  • R 1 0 2 5 ohmic internal resistance at full charge
  • Baking icing (icing characteristic) UCO, E I SO, Ci ; E is, C 2; E I S, c 3; E i S parameters of the icing characteristic
  • TK UDO I, TKUD02, TKUD03 temperature coefficients 1st, 2nd and
  • the desired quantities can be determined, for example, by adjusting the model on the basis of the measured quantities current, voltage and temperature with the aid of a Kalman filter.
  • State variables of the prediction model ie the rest voltage Uco and the concentration polarization U k be known.
  • the prediction can be further improved by additional adaptation of the characteristic parameters U D o 2 5, E ia and U D o 2 5, L ad of the füreriespolarisation. This is the maximum of the parameter vector
  • FIG. 2 shows the basic structure of the power prediction.
  • Parameter estimators e.g., Kalman filters
  • T Ba tt and the rest voltage Uco in the Performance predictor initialized with the corresponding default values T Batt o and Xo instead of the current values.
  • ⁇ t Lad duration of the charging pulse in s
  • the discharging current I E i ; Pred and the discharging power P E i a; Pred are determined by determining the zero of
  • Compliance with the minimum state of charge is based on the condition:
  • the maximum charging current Ie ; P red and the maximum charging power PLad ; Pre d are determined by determining the zero of
  • Lad (lLad ; pred, T B att, Uco ; pred) is again only numerically with the help of a
  • Zero-searching method e.g. Secant procedure possible.
  • Compliance with the maximum state of charge is based on the condition:
  • control devices for example a control device for a battery state detection, to which the battery is connected, or an electrical system manager in a vehicle.
  • IBS Intelligent Battery Sensor

Abstract

A method and corresponding devices for predicting the power capacity of an electrical energy store are disclosed, for example, for a battery in a vehicle, wherein the status values and parameters for the energy store are continuously adapted using a mathematical model of the energy store and hence a charge and discharge power capacity estimated and predicted.

Description

13.10.2005 Bü /Bo13.10.2005 Bü / Bo
ROBERT BOSCH GMBH, 70442 StuttgartROBERT BOSCH GMBH, 70442 Stuttgart
Verfahren zur Vorhersage der Leistungsfähigkeit elektrischer EnergiespeicherMethod for predicting the performance of electrical energy storage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorhersage der Leistungsfähigkeit elektrischer Energiespeicher mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Insbesondere werden Größen eines elektrischen Energie- oder Leistungsspeichers für ein Kraftfahrzeug ermittelt.The invention relates to a method for predicting the performance of electrical energy storage devices having the features of claim 1. In particular, variables of an electrical energy or power storage device for a motor vehicle are determined.
Stand der TechnikState of the art
Für das elektrische Energiemanagement in Fahrzeugen ist die möglichst exakte Information über die aktuelle, maximal verfügbare Entladeleistung der Batterie von Bedeutung. Dies gilt besonders in Elektro- und Hybridfahrzeugen und Fahrzeugen mitFor the electrical energy management in vehicles as accurate information about the current, maximum available discharge capacity of the battery is important. This is especially true in electric and hybrid vehicles and vehicles with
Start-/Stopp-Funktion und Rekuperationseingriff, bei denen die aktuelle, maximal verfügbare Entladeleistung der für den Motorstart, Elektroantrieb und zur Versorgung sonstiger elektrischer Verbraucher vorgesehenen elektrischen Energiespeicher sowie die aktuell maximal verfügbare Ladeleistung der Zurückspeisung der Bremsenergie eingesetzten elektrischen Energiespeicher von entscheidender Bedeutung ist.Start / stop function and Rekuperationseingriff in which the current, maximum available Entladeleistung the intended for the engine start, electric drive and other electrical consumers electrical energy storage and the currently available maximum charging power of recovery of braking energy used electrical energy storage is crucial.
Es sind bereits verschiedene Verfahren zur Ermittlung der Leistungsfähigkeit elektrischer Energiespeicher bekannt. Üblicherweise beschränken sich die meisten Verfahren auf die Bestimmung der verfügbaren Entladeleistung. In der DE 103 01 823 wird beispielsweise die Entladeleistungsfähigkeit anhand der mit Hilfe eines Modells vorausberechnetenThere are already known various methods for determining the performance of electrical energy storage. Usually, most methods are limited to determining the available discharge capacity. In DE 103 01 823, for example, the discharge capacity is predicted on the basis of a model
Spannungsantwort auf ein vorgegebenes Laststromprofil bewertet. Dieser Ansatz liefert jedoch noch keine Antwort auf die Frage, welche Maximalleistung der Energiespeicher bei vorgegebener, minimal zulässiger Bordnetzspannung abgeben kann. Für die Bewertung der Rekuperationsfähigkeit, der Ladeleistungsfähigkeit bzw. der Ladungsakzeptanz eines Energiespeichers werden Verfahren vorgeschlagen, die sich auf Kennfelder in Abhängigkeit von Ladezustand und Temperatur und/oder die Impedanz des Energiespeichers stützen. Solche Verfahren werden beispielsweise in der DE 198 49 055 beschrieben. Weitere begrenzende Faktoren für die Ladeleistungsfähigkeit wieRated voltage response to a given load current profile. However, this approach does not yet provide an answer to the question as to which maximum power the energy storage device can deliver at a predefined, minimum permissible vehicle electrical system voltage. For the evaluation of the Rekuperationsfähigkeit, the charging power capability or the charge acceptance of an energy storage methods are proposed, based on maps depending on state of charge and temperature and / or the impedance of the energy storage. Such processes are described for example in DE 198 49 055. Other limiting factors for charging performance such as
Polarisation, Säureschichtung oder Vereisung des Energiespeichers, insbesondere einer Bleibatterie, werden dagegen nicht berücksichtigt.Polarization, acid stratification or icing of the energy storage device, in particular a lead-acid battery, are not considered.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ermöglicht gegenüber dem Stand der Technik eine verbesserte Bestimmung der relevanten Größen des Energiespeichers. Erzielt wird dieser Vorteil mit Hilfe eines mathematischen Modells des Energiespeichers, dessen Zustandsgrößen und Parameter kontinuierlich adaptiert werden. Damit wird eine genaue Vorhersage der maximalen Lade- und Entladeleistung des elektrischen Energiespeichers, insbesondere eines in einem Kraftfahrzeug eingesetzten Blei- Akkumulators durch Berücksichtigung aller relevanten Einflussgrößen wie Temperatur, Ladezustand, Ohm' scher Innenwiderstand, Polarisationen, Säureschichtung, Alterung und Vereisung ermöglicht.The inventive method with the features of claim 1 allows over the prior art, an improved determination of the relevant sizes of the energy storage. This advantage is achieved by means of a mathematical model of the energy storage device, whose state variables and parameters are continuously adapted. Thus, an accurate prediction of the maximum charging and discharging power of the electric energy storage, in particular of a lead accumulator used in a motor vehicle by taking into account all relevant factors such as temperature, state of charge, Ohm 'shear internal resistance, polarization, acid stratification, aging and icing is possible.
Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen ermöglicht. Die zugehörigen Verfahren ermöglichen in vorteilhafter Weise die modellbasierte Vorhersage der aktuellen maximalen Lade- und Entladeleistung eines elektrischen Energiespeichers speziell unter Berücksichtigung der zulässigen maximalen Lade- bzw. der minimalen Bordnetzspannung. In vorteilhafter Ausgestaltung können weitere Vorgaben für den zulässigen maximalen Lade- und/oder Entladestrom und/oder den minimalen bzw. maximalen Ladezustand berücksichtigt werden.Further advantages of the invention are made possible by the measures specified in the dependent claims. The associated methods advantageously enable the model-based prediction of the current maximum charging and discharging power of an electrical energy store, taking into account in particular the permissible maximum charging voltage or the minimum vehicle electrical system voltage. In an advantageous embodiment, further specifications for the permissible maximum charge and / or discharge current and / or the minimum or maximum charge state can be taken into account.
Neben der Vorhersage der aktuell verfügbaren Lade- bzw. Entladeleistung ist das erfindungsgemäße Verfahren in besonders vorteilhafter Weise auch in der Lage, die bei beliebig vorgebbaren Temperaturen und Ladezuständen zu erwartende Lade- bzw. Entladeleistung zu bestimmen. Beispielsweise kann die verfügbare Ladeleistung einer Batterie mit SOC (State of Charge) =50 % für Kaltstart bei -18°C ermittelt werden. Die auf fest vorgegebene Temperatur und auf fest vorgegebenen Ladezustand bezogene Lade- bzw. Entladeleistung kann zudem als Maß für die Batteriealterung SOH (State of Health) verwendet werden.In addition to the prediction of the currently available charging or discharging power, the method according to the invention is also able, in a particularly advantageous manner, to determine the charging or discharging power to be expected at arbitrarily predeterminable temperatures and states of charge. For example, the available charging power of a battery with SOC (State of Charge) = 50% for cold start at -18 ° C can be determined. The loading temperature, which is fixed at a fixed temperature and or discharge capacity can also be used as a measure of the battery aging SOH (State of Health).
Zeichnungdrawing
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Im Einzelnen zeigt die Figur 1 ein Ersatzschaltbild für Blei- Akkumulatoren und die Figur 2 ein Strukturbild der Leistungsprädiktion. Figur 3 zeigt ein Flussdiagramm zur Prädiktion der Entladeleistung und Figur 4 ein Flussdiagramm der Prädiktion der Ladeleistung.The invention is illustrated in the drawing and will be explained in more detail in the following description. 1 shows an equivalent circuit diagram for lead accumulators, and FIG. 2 shows a structural image of the power prediction. FIG. 3 shows a flow chart for the prediction of the discharge power, and FIG. 4 shows a flow chart of the prediction of the charging power.
Beschreibung:Description:
Mathematisches Modell des EnergiespeichersMathematical model of energy storage
Figur 1 zeigt das für die Leistungsprädiktion verwendete Ersatzschaltbild eines Bleiakkumulators. Die Zählrichtung des Batteriestroms IBatt wurde positiv für Laden und negativ für Entladen gewählt.FIG. 1 shows the equivalent circuit diagram of a lead-acid battery used for power prediction. The counting direction of the battery current I Batt was chosen to be positive for charging and negative for discharging.
Spannungen:voltages:
Ußatt = Klemmenspannung der BatterieUßatt = terminal voltage of the battery
UR1 = ohmscher SpannungsabfallU R1 = ohmic voltage drop
Uco = Ruhespannung (~ mittlere Säurekonzentra- tion in der Batterie, Maß für den Ladezustand)Uco = no-load voltage (~ average acid concentration in the battery, measure of the state of charge)
Uk = Konzentrationspolarisation (~ Abweichung der Säurekonzentration am Reaktionsort vom Mittelwert in der Batterie)U k = concentration polarization (~ deviation of the acid concentration at the reaction site from the mean value in the battery)
UD(W, TBatt, Uco) = stationäre Durchtrittspolarisation, abhängig von Batteriestrom und Säuretemperatur und im Ladefall zusätzlich von der Ruhespannung - A -U D (W, T B att, Uco) = stationary penetration polarization, depending on battery current and acid temperature and in loading case additionally from the open circuit voltage - A -
Ersatzschaltbild-Komponenten:Equivalent circuit components:
Ri(Uco,Uk,TBatt) = ohmscher Innenwiderstand, abhängig vonRi (Uco, U k , T Ba tt) = ohmic internal resistance, depending on
Ruhespannung, Konzentrationspolarisation und Säuretemperatur Rk(Uco,TBatt) = Säurediffusionswiderstand, abhängig vonQuiescent voltage, concentration polarization and acid temperature Rk (Uco, T Ba tt) = acid diffusion resistance, depending on
Ruhespannung und Säuretemperatur ^k = Rk*Ck = Zeitkonstante der Säurediffusion (wird als konstant in der Größenordnung vonQuiescent voltage and acid temperature ^ k = R k * C k = time constant of acid diffusion (is considered to be constant on the order of
10 Min angenommen)10 minutes accepted)
RD;Entiaden(lBatt,TBatt) = ström- u. temperaturabhängiger Widerstand derRD ; Entiaden (lBatt, T B att) = Ström u. temperature dependent resistance of
Durchtrittspolarisation bei Entladung RD,Laden(lBatt,TBatt,Uco) = ström-, temperatur- u. Ruhespannungsabhängiger Widerstand derTransverse polarization at discharge RD, charging (lBatt, T B att, Uco) = Ström-, temperatur- u. Low-voltage-dependent resistance of
Durchtrittspolarisation bei LadungTransverse polarization on charge
Kennfelder und Parameter:Maps and parameters:
Ohmscher Innenwiderstand:Ohmic internal resistance:
RI(Ucθ,Uk,TBat,)=R(TBat,)*(l + RI;fak,*(Ucθmaχ-Ucθ)/(Ucθ+Uk-Ue;grenz))R I (Uc θ , U k , T Bat ,) = R I θ (T Bat ,) * (I + R I; fak , * (Uc θma χ-Uc θ ) / (Uc θ + U k -U e; border ))
mitWith
R10(Ta*) = R,025/(l + TKLfakt*(TBatr25°C))R 10 (Ta *) = R, 025 / (1 + TK Lfakt * (T B atr25 ° C))
Ue)grenz = niax(UcO,grenz, Ucθ,Eis(TBatt))Ue ) limit = niax (UcO, limit, Ucθ, ice (T Ba tt))
Ucθ,Eis(TBatt) = UcO.EisO + Cl;Eis*TBatt + C2;Eis*TBatt + C3;Eis*TBattUcθ, ice (T Ba tt) = UcO.EisO + Cl ; Ice * T Ba tt + C2 ; Ice * T Ba tt + C3 ; Ice * T Ba tt
R1025 = ohmscher Innenwiderstand bei Volladung undR 1 0 2 5 = ohmic internal resistance at full charge and
TBatt=25°CT Batt = 25 ° C
TKLfakt = Temperaturkoeffizient des Batterieleitwerts Ri,fakt = KennfeldparameterTK Lf a k t = temperature coefficient of the battery conductance Ri, fact = map parameter
Ucomax = maximale Ruhespannung der vollgeladenen BatterieUco max = maximum open circuit voltage of the fully charged battery
Ue;grenz = minimale Ruhespannung bei Entladeschluss Uco,grenz = minimale Ruhespannung bei Entladeschluss ohne Berücksichtigung derU e; grenz = minimum open circuit voltage at discharge end Uco, grenz = minimum open circuit voltage at discharge deadline without consideration of the
B atterievereisung Uco;Eis(TBatt) = temperaturabhängige Ruhespannungsgrenze fürBaking icing Uco ; E i s (T Batt ) = temperature-dependent quiescent voltage limit for
B atterievereisung (Vereisungskennlinie) UCO,EISO, Ci;Eis, C2;EIS, c3;EiS = Parameter der VereisungskennlinieBaking icing (icing characteristic) UCO, E I SO, Ci ; E is, C 2; E I S, c 3; E i S = parameters of the icing characteristic
S äurediffusionswiderstandAcid diffusion resistance
Rk(Ucθ,TBatt) = Rk (Ucθ, T B att) =
Rkθ(TBatt)*(l + Rk,faktl*(Ucθmaχ-Ucθ) + Rk,fakt2*(Ucθmaχ-Ucθ) )Rkθ (TBatt) * (l + Rk, faktl * (Ucθmaχ-Ucθ) + Rk, fakt2 * (Ucθmaχ-Ucθ))
mitWith
==
RM25*exp(-(ERk0/J)/8.314*(l/(273.15 + TW°C)-1/298.15)) (Arrhenius-Ansatz)R M2 5 * exp (- (E Rk0 /J)/8.314*(l/(273.15 + TW ° C) -1 / 298.15)) (Arrhenius Approach)
RkO25 = Säurediffusionswiderstand bei Volladung und TBatt =25°C ERJJ0 = AktivierungsenergieR kO25 = acid diffusion resistance at full charge and T Batt = 25 ° CE RJJ0 = activation energy
Rk,fakti, Rk;fakt2 = Polynom-KoeffizientenRk, fakti, Rk ; fact2 = polynomial coefficients
Stationäre DurchtrittspolarisationStationary penetration polarization
Entladen:unloading:
UD,Ela(lBatt,TBatt) = UD0,Ela(TBatt)*ln(lBatt/lD0,Ela),UD, Ela (lBatt, TBatt) = UD0, Ela (TBatt) * ln (lBatt / lD0, Ela),
mit lüO.Ela = " 1 A, Ißatt < lDO,ElaWith lOO.Ela = "1 A, Ißatt < lDO, Ela
UDO,Ela(TBatt) = UDO, Ela (TBatt) =
UD025,Ela*( 1 + ΩCUD01*(TBa«-25OC) + + ...U D0 25, Ela * (1 + ΩC U D01 * (T Ba -25 O C) + + ...
TKunos^TBatt^SX)3)TKunos ^ T Batt ^ SX) 3 )
UDo25,Eia = stationäre Durchtrittspannung bei IBatt = e*IDo,Eia und TBatt=25oC lD0,Eia = Durchtrittstrom für UD=0VU D o25, Eia = stationary transmission voltage at I Ba tt = e * I D o, Eia and T Ba tt = 25 o C lD0, Eia = passage current for U D = 0V
TKUDOI, TKUD02, TKUD03 = Temperaturkoeffizienten 1., 2. undTK UDO I, TKUD02, TKUD03 = temperature coefficients 1st, 2nd and
3. Ordnung der Durchtrittspolarisation3rd order of penetration polarization
Laden:Load:
UD,Lad(lBatt,TBatt,Ucθ) = UD, Lad (lBatt, TBatt, Ucθ) =
UDO)Lad(TBatt)*Sqrt(lBatt/lDO)Lad*(Ucθmaχ-Ucθmm)/(Ucθmaχ-Ucθ))UDO ) Lad (TBatt) * Sqrt (lBatt / lDO ) Lad * (Ucθmaχ-Ucθmm) / (Ucθmaχ-Ucθ))
mitWith
IA, IBatt > 0AIA, I Bat t> 0A
UDO,Lad(TBatt) = UD025,Lad * • • • sqrt(exp(-(EUDo;Lad/J)/8.314*(l/298.15-l/(273.15+TBat,/0C)))))UDO, Lad (TBatt) = UD025, Lad * • • sqrt (exp (- (E UD o , La d / J) /8.314* (l / 298.15-l / (273.15 + T B at, / 0 C) ))))
UDo25,Lad = stationäre Durchtrittspannung bei TBatt=25°C Und Ucθ=UcθmmU D o25, Lad = steady-state transmission voltage at TBatt = 25 ° C and Ucθ = Ucθmm
EuDo,Lad = AktivierungsenergieEuDo, Lad = activation energy
Ucomm = minimale Ruhespannung der vollständig entladenen BatterieUco mm = minimum rest voltage of the fully discharged battery
Benötigte Zustandsgrößen u. Parameter zur Vorhersage der Entlade- u. LadeleistungRequired state variables u. Parameter for the prediction of the unloading u. charging power
Mit Hilfe oben aufgeführter Modellgleichungen kann unter der Voraussetzung, dass die Zustandsgrößen und Parameter des Prädiktionsmodells dem der realen Batterie entsprechen, die aktuell verfügbare Entlade- u. Ladeleistung vorhergesagt werden. Die gesuchten Größen können beispielsweise durch Abgleich des Modells anhand der Messgrößen Strom, Spannung und Temperatur mit Hilfe eines Kaiman-Filters bestimmt werden.With the help of the model equations given above, assuming that the state variables and parameters of the prediction model correspond to those of the real battery, the currently available unloading u. Charging power to be predicted. The desired quantities can be determined, for example, by adjusting the model on the basis of the measured quantities current, voltage and temperature with the aid of a Kalman filter.
Für die Prädiktion der aktuellen Entlade-/Ladeleistung müssen in jedem Fall die aktuellenFor the prediction of the current discharge / charging power must always be the current
Zustandsgrößen des Prädiktionsmodells, d.h. die Ruhespannung Uco und die Konzentrationspolarisation Uk bekannt sein. Der Zustandsschätzer muss daher zumindest den Zustandsvektor x = [Uco, UJ ermitteln. Eine Verbesserung der Leistungsprädiktion ist bei zusätzlicher Schätzung der Durchtrittspolarisation UD möglich.State variables of the prediction model, ie the rest voltage Uco and the concentration polarization U k be known. The state estimator must therefore at least determine the state vector x = [Uco, UJ. An improvement of the performance prediction is possible with additional estimation of the penetration polarization U D.
Weiterhin müssen zumindest die stark alterungsabhängigen Parameter des Prädiktionsmodells adaptiert werden. Dies sind die Kennlinienparameter Rl025 und Uco;grenz des ohmschen Innenwiderstands und der Säurediffusionswiderstand RkO25 bei Volladung und TBatt=25°C. Die Prädiktion kann durch zusätzliche Adaption der Kennlinienparameter UDo25,Eia und UDo25,Lad der Durchtrittspolarisation weiter verbessert werden. Damit ist maximal der ParametervektorFurthermore, at least the strongly aging-dependent parameters of the prediction model must be adapted. These are the characteristic parameters l02 R 5 and Uco; gr e nz of the ohmic internal resistance and the acid diffusion resistance R k 2 O 5 at full charge and T Batt = 25 ° C. The prediction can be further improved by additional adaptation of the characteristic parameters U D o 2 5, E ia and U D o 2 5, L ad of the Durchtrittspolarisation. This is the maximum of the parameter vector
ü. = [RiO25, Umgrenz, RkO25, UD025,Ela, UD025,Lad]above sea level. = [RiO25, boundary, RkO25, UD025, Ela, UD025, Lad]
mittels geeigneter Parameterschätzverfahren zu ermitteln.to be determined by means of suitable parameter estimation methods.
Prädiktion der maximal verfügbaren Entlade- u. Ladeleistung (Leistungsprädiktor)Prediction of the maximum available unloading u. Charging power (power predictor)
Figur 2 zeigt die prinzipielle Struktur der Leistungsprädiktion. Ein Zustande- u. Parameterschätzer (z.B. Kaiman-Filter) schätzt kontinuierlich die aktuellen für dieFIG. 2 shows the basic structure of the power prediction. A state & u. Parameter estimators (e.g., Kalman filters) continuously estimate the current ones for the
Leistungsprädiktion benötigten Zustandsgrößen und Parameter des elektrischen Energiespeichers, mit denen das Prädiktionsmodell initialisiert wird. Anschließend kann mit Hilfe der Modellgleichungen und den Vorgaben für die Dauer des Entlade-/Ladepulses, die zulässige minimale u. maximale Batteriespannung, den zulässigen maximalen Entlade- u. Ladestrom sowie den minimalen u. maximalen Ladezustand die verfügbare Entlade-Performance prediction required state variables and parameters of the electrical energy storage with which the prediction model is initialized. Subsequently, with the aid of the model equations and the specifications for the duration of the discharge / charge pulse, the permissible minimum and maximum values can be determined. maximum battery voltage, the maximum permissible discharge Charging current and the minimum u. maximum state of charge the available discharge
/Ladeleistung berechnet werden./ Charging power are calculated.
Ist nach der verfügbaren Lade-/Entladeleistung bei anderen Temperaturen (z.B. Kaltstarttemperatur -18°C oder Nenntemperatur 25°C) und/oder Ladezuständen (z.B. Volladung) als den aktuellen gefragt, werden TBatt und die Ruhespannung Uco im Leistungsprädiktor statt mit den aktuellen Werten mit den entsprechenden Vorgabewerten TBatto und Xo initialisiert. Die so ermittelten Leistungen liefern gleichzeitig auch ein Maß für die Batteriealterung (SOH = State of Health).If, according to the available charging / discharging power at other temperatures (eg cold start temperature -18 ° C or nominal temperature 25 ° C) and / or charging states (eg full charge) is required as the current, T Ba tt and the rest voltage Uco in the Performance predictor initialized with the corresponding default values T Batt o and Xo instead of the current values. At the same time, these services also provide a measure of battery aging (SOH = State of Health).
Folgende Voraussetzungen und Annahmen werden für die Bestimmung der Entlade- u.The following prerequisites and assumptions are used for the determination of the unloading and.
Ladeleistung bzgl. eines Konstantstromentlade- bzw. ladepulses getroffen:Charging power with respect to a Konstantstromentlade- or charge pulse made:
Vorgaben:Requirements:
ΔtEia = Dauer des Entladepulses in sΔt E i a = duration of the discharge pulse in s
ΔtLad = Dauer des Ladepulses in sΔt Lad = duration of the charging pulse in s
UEia,mm = minimal zulässige Bordnetzspannung in VU E ia, mm = minimum permissible vehicle voltage in V
ULad;max = maximal zulässige Batterie(-lade)spannung in VU L ad ; m a x = maximum permissible battery (charge) voltage in V
lEia,max = maximal zulässiger Enladestrom in A lLad,max = maximal zulässiger Ladestrom in Al E ia, m a x = maximum permissible discharge current in A l L ad, m a x = maximum permissible charging current in A
SOCmm = minimal zulässiger Ladezustand in %SOC mm = minimum permissible state of charge in%
SOCmax = maximal zulässiger Ladezustand in %SOC max = maximum permissible state of charge in%
Mit der SOC-Defmition über die Ruhespannung Uco:With the SOC definition of the quiescent voltage Uco:
SOC = 100*(Uc0-Uc0;mm)/(Uc0;maχ-Uc0;mm)SOC = 100 * (Uc0-Uc0 ; mm) / (Uc0 ; maχ-Uc0 ; mm)
ΔtEia und ΔtLad sind so klein zu wählen, dass die Ladezustandsänderung durch den Strompuls vernachlässigbar ist (Uco = const) und so groß, dass die Durchtrittspolarisation während des Strompulses ihren stationären Wert annimmt (Größenordnung 1-1Os).Δt E i a and Δt Lad are to be chosen so small that the charge state change is negligible by the current pulse (Uco = const) and so large that the Durchtrittspolarisation during the current pulse assumes its steady state value (order 1-1Os).
Dargestellt ist der Ablauf der Leistungsprädiktion bzw der Ablauf zur Prädiktion der maximal verfügbaren Entlade- und Ladeleistung in zwei Flussdiagrammen. Dabei ist der Ablauf derThe sequence of the power prediction or the procedure for the prediction of the maximum available discharging and charging power in two flow diagrams is shown. The process is the
Leistungsprädiktion getrennt für Entlade- und Ladeleistung in den Figuren 3 und 4 angegeben.Leistungsprädiktion separated for unloading and charging power in Figures 3 and 4 indicated.
Prädiktion der maximal verfügbaren Entladeleistung Der Entladestrom lEia;Pred bzw. die Entladeleistung PEia;Pred werden durch Bestimmung der Nullstelle vonPrediction of the maximum available discharge capacity The discharging current I E i ; Pred and the discharging power P E i a; Pred are determined by determining the zero of
! UBatt,Modell(lEla,pred) " = 0! UBatt, model (lEla, pred) " = 0
ermittelt, wobei die Batteriespannung UBatt;Modeii(lEia;Pred), die sich am Ende des Entladestrompulses der Dauer ΔtEia einstellt mit Hilfe des bereits beschriebenen Prädiktionsmodells berechnet wird:determined, wherein the battery voltage UBatt ; Modeii (lEia ; P red) which is calculated at the end of the discharge current pulse of duration Δt E i a using the prediction model already described:
UBatt,Modell(lEla,pred) = UcO.pred + Uk,pred + •••UBatt, model (lEla, pred) = UcO.pred + Uk, pred + •••
Ri(Ucθ,pred,Uk)pred,TBatt)*lEla)pred + Uk)Pred + UD,Ela(lEla,pred,TBatt)Ri (Ucθ, pred, Uk ) pred, TBatt) * lEla ) pred + Uk ) P red + UD, Ela (lEla, pred, TBatt)
mitWith
Uco.pred = Uco (=> Ladezustandsänderung durch Strompuls vernachlässigt)Uco.pred = Uco ( => charge state change neglected by current pulse)
Uk)Pred = Rk(Ucθ)pred,TBatt)*lEla,pred + •••Uk ) P red = Rk (Ucθ ) pred, TBatt) * lEla, pred + •••
(Uk " Rk(UcO;pred,TBatt)*lEla;pred)*eXp(-AtEla/Tk)(Uk "Rk (UCO; pred, T B att) * LeLa; pred) * exp (-AtEla / Tk)
(=> Lösung der Differentialgleichung für das RC-Glied Rk||Ck)(=> Solution of the differential equation for the RC-element R k || C k )
Nach Einsetzen der erwähnten Beziehungen kann lEia;Pred berechnet werden. Auf Grund der nichtlinearen Funktion UD;Eia(lEia,pred,TBatt) ist dies nur numerisch mit Hilfe eines Nullstellensuchverfahrens z.B. Sekantenverfahren möglich.After the above relations have been established, l E i a; Pred can be calculated. Due to the nonlinear function U D; Eia (lEia, pred, TBatt) this is only possible numerically with the help of a zero-search method, eg secant method.
Die maximal verfügbare Entladeleistung ist dann:The maximum available discharge capacity is then:
^ Ela,pred UEla,mm J-Ela,pred^ Ela, pred UEla, mm J-Ela, pred
Vor der Nullstellenberechnung ist noch zu prüfen, ob es überhaupt eine Lösung lEia;Pred < OA gibt. Dazu wird getestet ob die Bedingung:Before calculating the zero, it must still be checked whether there is any solution l E i a; Pred <OA. For this it is tested if the condition:
UBatt;Modell(lEla;pred=OA,ΔtEla=Os)= UC0 + Uk > UEla;mm erfüllt ist.U Batt; model (l Ela; pred = OA, Δt Ela = Os) = U C 0 + U k > U Ela; mm is satisfied.
Falls nicht wird IEia;Pred =0A und PEia;Pred = OW ausgegeben. Weiterhin ist zu prüfen, ob die Vorgaben für den maximal zulässigen Entladestrom lEia,max und den minimalen Ladezustand SOCmm eingehalten werden.If not, I E ia ; P red = 0A and P E ia ; P red = OW are output. Further check whether the specifications for the maximum allowable discharge current l e i a, max and the minimum SOC mm are observed.
Falls |IEla;pred| > |lEla,max| WlM IEla;pred = Iεla.max gesetzt Und UBatt;Modell(lEla;max) berechnet, SO daSS sich für die maximale Entladeleistung:If | I e la; pred | > | lEla, max | WlM I E la ; pred = Iεla.max set And U B att ; Model (lEla ; max) to calculate the maximum discharge capacity:
"Ela,pred = UBatt,Modell(lEla,max) ^EIa1IiIaX"Ela, pred = UBatt, model (lEla, max) ^ EIa 1 IiIaX
ergibt.results.
Die Einhaltung des minimalen Ladezustands wird anhand der Bedingung:Compliance with the minimum state of charge is based on the condition:
SOC=I OO*(Uco-Uco,min)/(Uco,maχ-Uco,min) > SOC1111n SOC = I OO * (Uco-Uco, mi n) / (Uco, m a-Uco, mi n)> SOC 1111n
geprüft. Ist die Bedingung nicht erfüllt, wird lEia;Pred = OA und PEia;Pred = OW ausgegeben.checked. If the condition is not fulfilled, lEia ; P red = OA and PEia ; P red = OW are output.
Zu beachten ist, dass:It should be noted that:
SOC1111n > vorgegeben werden muss (sieheSOC 1111n > must be specified (see
Formel für R1 in Abschnitt 2.4.1).Formula for R 1 in Section 2.4.1).
Prädiktion der maximal verfügbaren LadeleistungPrediction of the maximum available charging power
Äquivalent zur Ermittlung des maximalen Entladestroms und der maximalen Entladeleistung werden der maximale Ladestrom lEia;Pred und die maximale Ladeleistung PLad;Pred durch Bestimmung der Nullstelle vonEquivalent to the determination of the maximum discharge current and the maximum discharge power, the maximum charging current Ie ; P red and the maximum charging power PLad ; Pre d are determined by determining the zero of
! UBatt,Modell(lLad)Pred) ~ ULad,max = 0! UBatt, model (lLad ) P red) ~ ULad, max = 0
ermittelt, wobei die Batteriespannung UBatt;Modeii(lLad;Pred), die sich am Ende des Ladestrompulses der Dauer ΔtLad einstellt wieder mit Hilfe des bereits beschriebenen Prädiktionsmodells berechnet wird: UBatt,Modell(lLad,pred) = determined, wherein the battery voltage U B att ; Modeii (lLad ; P red), which is calculated at the end of the charging current pulse of duration Δt Lad again calculated using the prediction model already described: UBatt, model (lLad, pred) =
Uco.pred + Uk)Pred + Ri(Ucθ,pred,Uk)pred,TBatt)*lLad)pred + Uk)Pred + •• • UD,Lad(lLad,predjTBattjUcθ,pred)Uco.pred + Uk ) P red + Ri (Ucθ, pred, Uk ) pred, TBatt) * lLad ) pred + Uk ) P red + •• • UD, Lad (lLad, predjTBattjUcθ, pred)
Mit:With:
Uco.pred = Uco (=> Ladezustandsänderung durch Strompuls vernachlässigt)Uco.pred = Uco ( => charge state change neglected by current pulse)
Uk)Pred = Rk(Ucθ,pred,TBatt)*lLad,pred + ••• (Uk - Rk(UcO;pred,TBatt)*lLad;pred)*eXp(-AtLad/Tk) Uk) P red = Rk (Ucθ, pred, T Batt) * Llad, pred + ••• (Uk - Rk (UCO; pred, T B att) * Llad; pred) * exp (-At L ad / Tk)
(=> Lösung der Differentialgleichung für das RC-Glied Rk||Ck)(=> Solution of the differential equation for the RC-element R k || C k )
Nach Einsetzen der Beziehungen kann lLad;Pred berechnet werden. Auf Grund der nichtlinearen Funktion UD;Lad(lLad;pred,TBatt,Uco;pred) ist dies wieder nur numerisch mit Hilfe einesAfter the relationships have been established l Lad; Pred can be calculated. Due to the nonlinear function U D; Lad (lLad ; pred, T B att, Uco ; pred) is again only numerically with the help of a
Nullstellensuchverfahrens z.B. Sekantenverfahren möglich.Zero-searching method e.g. Secant procedure possible.
Die maximal verfügbare Ladeleistung ist dann:The maximum available charging power is then:
Vor der Nullstellenberechnung ist noch zu prüfen, ob es überhaupt eine Lösung lLad;Pred > OA gibt. Dazu wird getestet ob die Bedingung:Before calculating the zero, it is still to be checked whether there is any solution l Lad; Pred > OA. For this it is tested if the condition:
UBatt;Modell(lLad;pred=OA,ΔtLad=Os)= UC0 + Uk < ULad;max erfüllt ist.U Batt; Model (l Lad; pred = OA, Δt Lad = Os) = U C 0 + U k <U Lad; max is satisfied.
Falls nicht, wird ILad;pred =0A und PLad;pred = OW ausgegeben. Pred = 0A and P Lad;; If not, I is Lad pred = OW outputted.
Weiterhin ist zu prüfen, ob die Vorgaben für den maximal zulässigen Ladestrom lLad,max und den maximalen Ladezustand SOCmax eingehalten werden.Furthermore, it must be checked whether the specifications for the maximum permissible charging current I Lad , max and the maximum charging state SOC max are complied with.
Falls |ILad;pred| > |lLad;max| WlM ILad;pred = IlMmax gesetzt Und UBatt;Modell(lLad;max) berechnet, SO daSS sich für die maximale Ladeleistung: PLad,pred = UBatt,Modell(lLad,max) lLad,maxIf | I L ad ; pred | > | lLad ; max | WlM I L ad ; pred = IlMmax set And U B att ; Model (lAd ; max), so that the maximum charging power is: PLAD, pred = UBatt, model (Llad, max) Llad, max
Ergibt.Results.
Die Einhaltung des maximalen Ladezustands wird anhand der Bedingung:Compliance with the maximum state of charge is based on the condition:
SOC=100*(Ucθ-Ucθ;mm)/(Ucθ;maχ-Ucθ;mm) < SOCmax < 100%SOC = 100 * (Ucθ-Ucθ ; mm) / (Ucθ ; maχ-Ucθ ; mm) <SOC max <100%
geprüft. Ist die Bedingung nicht erfüllt, wird ILad;Pred = OA und PLad;Pred = OW ausgegeben.checked. If the condition is not fulfilled, I L ad ; P red = OA and P L ad ; P red = OW are output.
Die beschriebenen Verfahren können gegebenenfalls in geeigneter Weise modifiziert werden.The described methods may optionally be modified as appropriate.
Sie laufen vorzugsweise in einer geeignet ausgestatteten Steuereinrichtung, beispielsweise einem Steuergerät für eine Batteriezustandserkennung, an das die Batterie angeschlossen ist, oder einem Bordnetzmanager in einem Fahrzeug ab.They preferably run in a suitably equipped control device, for example a control device for a battery state detection, to which the battery is connected, or an electrical system manager in a vehicle.
Eine weitere Einsatzmöglichkeit ist bei einem IBS (Intelligent Battery Sensor) und/oder beiAnother use is in an IBS (Intelligent Battery Sensor) and / or at
Body-Computern bzw. als Software-Modul im Rahmen eines elektrischenBody computers or as a software module under an electric
B atteriemanagements . B attermanagements.

Claims

13.10.2005 Bü /BoROBERT BOSCH GMBH, 70442 StuttgartAnsprüche 13.10.2005 Bü / BoROBERT BOSCH GMBH, 70442 Stuttgart claims
1. Verfahren zur Vorhersage der Leistungsfähigkeit elektrischer Energiespeicher, insbesondere einer Batterie für ein Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass ein mathematisches Modell des Energiespeichers gebildet wird, dessen Zustandsgrößen und Parameter kontinuierlich adaptiert werden und eine Vorhersage der maximalen Lade- und Entladeleistung erfolgt.1. A method for predicting the performance of electrical energy storage, in particular a battery for a vehicle, characterized in that a mathematical model of the energy storage is formed, the state variables and parameters are continuously adapted and a prediction of the maximum charging and discharging power.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass relevante Einflussgrößen wie Temperatur, Ladezustand, Ohm' scher Innenwiderstand, Polarisationen,2. The method according to claim 1, characterized in that relevant factors such as temperature, state of charge, ohm shear internal resistance, polarizations,
Säureschichtung, Alter und Vereisung berücksichtigt werden.Acid stratification, age and icing are taken into account.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Leistungsprädiktion ein Zustande- und Parameterschätzer eingesetzt wird, der kontinuierlich die aktuellen benötigten Zustandsgrößen abschätzt.3. The method of claim 1 or 2, characterized in that a state and parameter estimator is used for power prediction, which continuously estimates the current required state variables.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustande- und Parameterschätzer ein Kaiman-Filter ist.4. The method according to claim 3, characterized in that the state and parameter estimator is a Kalman filter.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximal zulässige Ladespannung und/oder die minimale Bordnetzspannung berücksichtigt werden.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the maximum allowable charging voltage and / or the minimum vehicle electrical system voltage are taken into account.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Vorgaben für den zulässigen Maximalen Lade- und/oder Entladestrom und/oder den minimalen und/oder maximalen Ladezustand berücksichtigt werden.6. The method according to claim 5, characterized in that further specifications for the maximum allowable charging and / or discharge and / or the minimum and / or maximum state of charge.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuell verfügbare Lade- und/oder Entladeleistung bestimmt wird.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the currently available charging and / or discharging power is determined.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei beliebig vorgebbaren Temperaturen und/oder Ladezuständen zu erwartende Lade und/oder Entladeleistungen bestimmt werden.8. The method according to claim 5, characterized in that are determined at any predetermined temperatures and / or states of charge expected charging and / or discharging.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf eine fest vorgegebene Temperatur bezogene ermittelte Lade- und/oder Entladeleistung als Maß für Batteriealterung verwendet wird.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the reference to a fixed predetermined temperature determined charging and / or discharging power is used as a measure of battery aging.
10. Vorrichtung zur Vorhersage der Leistungsfähigkeit elektrischer Energiespeicher, insbesondere einer Batterie für ein Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass ein10. A device for predicting the performance of electrical energy storage, in particular a battery for a vehicle, characterized in that a
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims is performed.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens eine Steuereinrichtung, insbesondere ein Steuergerät umfasst oder Bestandteil eines Intelligenten Batteriesensors oder eines Body-Computers oder11. The device according to claim 10, characterized in that the device comprises at least one control device, in particular a control device or part of an intelligent battery sensor or a body computer or
Bestandteil eines Softwaremoduls für ein elektrisches Batteriemanagements ist.. Component of a software module for an electric battery management is ..
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