EP2488884A2

EP2488884A2 - Verfahren zur bestimmung und/oder vorhersage der hochstrombelastbarkeit einer batterie

Info

Publication number: EP2488884A2
Application number: EP10763179A
Authority: EP
Inventors: Michael Roscher
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2009-10-14
Filing date: 2010-10-05
Publication date: 2012-08-22
Also published as: US20120253777A1; WO2011045206A2; DE102009049320A1; WO2011045206A3

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Vorhersage der Hochstrombelastbarkeit einer Batterie, bei dem die Parameter eines Modells der Batterieimpedanz zugrunde gelegt und daraus die Hochstrombelastbarkeit der Batterie bestimmt wird und für den Lade- und den Entladevorgang unterschiedliche Parameter zugrunde gelegt werden.

Description

Verfahren zur Bestimmung und/oder Vorhersage der Hochstrombelastbarkeit einer Batterie

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Vorhersage der Hochstrombelastbarkeit einer Batterie, insbesondere einer Batterie für ein Hybridoder Batteriefahrzeug.

Die Vorhersage des Verhaltens eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere einer Batterie, in unterschiedlichen Betriebsarten ist von großer Bedeutung für das Energiemanagement eines Fahrzeugs, insbesondere auch für sicherheitsrelevante Funktionen. Der kritischste Betriebsmodus ist die Belastung des Energiespeichers bzw. der Batterie mit einem hohen Entladestrom. Ein Beispiel für eine derartige Hochstrombelastung ist der Startvorgang eines Verbrennungsmotors, bei dem die notwendige Mindestdrehzahldurch einen elektrischen Anlasser erzeugt wird, der von einem elektrischen Energiespeicher gespeist wird. Andere Anwendungsfälle sind insbesondere das elektrohydraulische Bremsen, elektrische Lenken und elektrisch unterstützte Anfahren oder Beschleunigen, wie es in Hybridfahrzeugen zum Einsatzkommt.

Wenn die Spannung während dieses Vorgangs eine Mindestspannung unterschreitet, ist es zum Schutz des Energiespeichers nicht möglich, eine ausreichende Leistung aus dem Energiespeicher bzw. der Batterie zu entnehmen, um den Vorgang erfolgreich zu beenden.

Um die Leistungsfähigkeit einer Batterie eines Kraftfahrzeugs zu bestimmen oder vorherzusagen sind unterschiedliche Ansätze bekannt. Für die Bestimmung der Maximalstrombelastbarkeit existieren Verfahren, um aus kurzzeitigen Hochstrombeanspruchungen der Batterie einen Widerstand zu ermitteln, der ein Maß für den Spannungseinbruch der Batterie während dieser Belastung ist. Daneben existieren Ansätze aus dem Wechselanteil von Strom und Spannung, ohne aktive Anregung, eine Batterieimpedanz abzuleiten (z.B. DE10337064B4, GB2352820A, WO2005050810A1 und US6037777). Dabei ergibt sich eine mittlere Batterieimpedanz für den gesamten Strombereich.

Wird die Batterieimpedanz in einem mittleren Strombereich bestimmt, ist die Aussage für hohe Ströme, z.B. für eine Maximalleistungsprognose zu konservativ, d.h. sie gibt einen deutlich zu kleinen Wert der verfügbaren maximalen Leistung an. Wird die Impedanz hingegen aus Hochstrompulsen bestimmt, ergeben sich Ungenauigkeiten für mittlere und kleine Ströme. Letzteres führt besonders bei modellbasierten Zustandsbestimmungsverfahren zu erheblichen Ungenauigkeiten hinsichtlich der Maximalstrombelastbarkeit.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfach zu handhabendes Verfahren zur genauen Bestimmung und/oder Vorhersage der Hochstrombelastbarkeit einer Batterie zu schaffen.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei dem Verfahren zur Bestimmung und/oder Vorhersage der Hochstrombelastbarkeit einer Batterie werden die Parameter eines Modells der Batterieimpedanz zu Grunde gelegt. Daraus wird die Hochstrombelastbarkeit der Batterie bestimmt. Dabei werden für den Lade- und den Entladevorgang unterschiedliche Parameter zugrunde gelegt, die ihrerseits wieder aus unterschiedlichen Kennlinien entnommen werden. Unterschiedlich bedeutet, wie weiter unten im Einzelnen gezeigt, dass die für den Ladevorgang, d.h. eine positive Stromrichtung maßgebliche Kennlinie bei Spiegelung an der (Strom=)0- Linie nicht mit der Kennlinie für den Entladevorgang, d.h. die negative Stromrichtung maßgebliche Kennlinie nicht übereinstimmt. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Ersatzschaltbild eines elektrischen Energiespeichers,

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der physikalischen Grundlage der Erfindung,

Fig. 3 (Herr Roscher: Ihr Bild 3) ein Schaltbild zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 4 (Ihr Bild 4) ein Diagramm zur näheren Erläuterung einer Einzelheit des Schaltbilds von Fig. 3.

Das in Fig. 1 (Herr Roscher: Ihr Bild 2)gezeigte Ersatzschaltbild (i.f. ESB genannt) ermöglicht es, das dynamische Verhalten einer Batterie zu beschreiben. Das ESB besteht aus einem seriellen Widerstand R2 und einem RC-Glied (R1 , C1 ) dazu in Reihe. Dadurch lassen sich transiente Vorgänge abbilden.

Das Verhalten des dargestellten ESBs lässt sich mit einer diskreten Übertragungsfunktion (G(z)) im Zeitbereich abbilden. Mit dieser lässt sich der Ausgangswert des Modells als Linearkombination des Stromes (aktuell und um einen Zeitschritt veraltert) und der veralterten Spannung in an sich bekannter Weise berechnen.

Bei Batterien sind die R2, R1- und C1-Parameter des ESBs stromabhängig. Demzufolge sind die Koeffizienten der diskreten Übertragungsfuntkion des ESB ebenfalls stromabhängig. Insgesamt ergibt sich ein von der Stromrichtung und der Stromstärke beeinflußter Zusammenhang zwischen dem Realteil der Batterieimpedanz Ri (in Ohm) und dem Strom, wie er in Fig. 2 dargestellt ist (Herr Roscher: Ihr Bild 1 ). Erfindungsgemäße erfolgt die Berechnung der stromabhängigen Impedanzparameter wie in Bild 3 dargestellt. Aus den Messdaten Spannung Umess und Strom Imess der Batterie wird, durch einen digitalen Hochpass 6, der Wechselanteil von Strom und Spannung bestimmt. In einem Stromaufteiler (1 ) wird der Strom entsprechend seiner Amlitude gesplittet, man erhält die Stromanteile 11 ,... , In für die jeweiligen Strombereiche (Auf die Beschreibung der Berechnungsblöcke wird später genauer eingegangen.). Durch Linearkombination werden in einem Kombinierer 2 aus den Stromanteilen I1 ,... ,ln und den anzupassenden Koeffizienten a,b1 ,... bn der diskreten Übertragungsfunktion, gespeichert im Koeffizientespeicher (4), eine Spannungsantwort Uprog der Batterie prognostiziert. Aus dieser und der hochpassgefilterten tatsächlichen Batteriespannung Uist wird die Differenz e gebildet. Aus dieser und den Stromanteilen wird durch einen Korrekturterm in einem Anpasser 3 die Veränderung der Koeffizienten a,b1 , ... bn berechnet und aus der Summe der alten Koeffizient und deren Veränderung werden die neuen Koeffizienten a^A,b1 ^A,... bn^A der Übertragungsfunktion berechnet. Die neuen Koeffizienten a^A,b1 ^A,... bn^A werden in einem Speicher 4 gespeichert und im nächsten Berechnungschritt verwendet. Aus den Koeffizienten a^A,b1 ^A,... bn^A werden durch ein-eindeutige Transformation in einem Umrechner 5 die Impedanzparameter selektiv für die Strombereiche berechnet.

Im Stromaufteiler 1 wird der hochpassgefilterte Strom je nach Vorzeichen und/oder seiner Amplitude einem spezifischen Strombereich zugeordnet. In Fig. 4 ist diese Aufteilungsfunktion F(l) beispielhaft für drei Strombereiche dargestellt. Erfindungsgemäß sind die Strombereiche gegenseitig überlappend, d.h. ein Strom kann auf zwei oder mehr Bereiche aufgeteilt werden (wie im Fig. 4 dargestellt), oder scharf von einander abgegrenzt. Um die Stromanteile 11 ,... , In, den Bereichen zugeordnet, zu erhalten, wird der Strom mit den Aufteilungsfunktionen F(l) der Strombereiche multipliziert. Die Stromanteile 11 ,... , In werden im Kombinierer 2 jedem Abtastzeitpunkt k mit den Koeffizienten a,b1 ,... bn der Übertragungsfunktion multipliziert (Gl. 1 , Laufvariable n entspricht dem Index des Strombereichs).

U prog,k ~ ^{ü ' '} U <| J

Die Batterie wird so als M ISO-System (Multi In (11 ,... , In), Single Out (Uprog)) abgebildet. Jedem Strombereich n entsprechen somit zwei Koeffizienten bn,0, bn,1 der Übertragungsfunktion. Der Koeffizient a bildet die rückgeführte Spannung ab und ist damit strombereichsunabhängig durch Überlagerung mehrerer R-RC- Glieder.

Zu den Teilen 3 und 4: Die Berechnung einer Korrektur der Koeffizienten der Übertragungsfunktion im Anpasser 3 und eine Verzögerung der Koeffizienten um einen Zeitschritt im Speicher 4 sind beispielsweise unter der Bezeichnung „Recursive least Squares" bekannt.

Im Umrechner 5 werden den aus einzelnen Koeffizienten a^A,b1 ^A,... bn^A, entsprechend der jeweiligen Strombereiche (Strombereich n zugehörig), die realen Batterieimpedanzparameter zugeordnet, entsprechend der nachfolgenden Gleichungen 2 - 4 (Serienwiderstand für den Strombereich n entspricht Rn,2; Parallelwiderstand Rn,1 und Kapazität Cn,1 ).

*„.₂ = (2) Durch die Erfindung wird eine zuverlässige Bestimmung der Batterieimpedanz unter sämtlichen Betriebsbedingungen erreicht.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Bestimmung und/oder Vorhersage der Hochstrombelastbarkeit einer Batterie, bei dem die Parameter eines Modells der Batterieimpedanz zugrunde gelegt und daraus die Hochstrombelastbarkeit der Batterie bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass für den Lade- und den Entladevorgang unterschiedliche Parameter zugrunde gelegt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass den Parametern des Modells der Batterieimpedanz für den Lade- und den Entladevorgang unterschiedliche Kennlinien zugeordnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den gesamten Stromstärkebereich drei Parameterbereiche zugeordnet werden und dass diese Bereiche dem Ladevorgang, dem neutralen Zustand und dem Entladevorgang zugeordnet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den gesamten Stromstärkebereich mehr als drei Parameterbereiche zugeordnet werden, deren Grenzen jeweils durch Stromstärkewerte bestimmt sind.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameterbereiche überlappend sind.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameterbereiche nicht überlappend sind.