WO2005003799A2 - Verfahren zur vorhersage einer restlebensdauer eines elektrischen energiespeichers - Google Patents

Verfahren zur vorhersage einer restlebensdauer eines elektrischen energiespeichers Download PDF

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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to ner driving for predicting a remaining service life of an electrical energy store * according to the preamble of the main claim and ner directions for carrying out the ner driving according to the invention.
  • the prediction of the remaining service life until they become unusable is of great importance, particularly in the case of lead-acid batteries in a motor vehicle.
  • the battery can be replaced in good time and thus * the vehicle cannot be left lying down or the failure of electrically operated, particularly safety-critical, consumers such as x-by-wire systems.
  • the battery must be replaced too early. Cost reasons can be avoided. Therefore, the decisive factors for the respective application are ' metrics tailored and as precisely evaluable as possible ' for the usability with parameterizable threshold values for: a battery replacement indicator.
  • the current fitness for use of the energy storage device is therefore assessed either on the basis of the current storage capacity or the performance capacity based on the engine start. More specific criteria for usability that can be applied to different and combined applications (engine start, electric / hybrid vehicle, supply of safety-critical electrical consumers, etc.) are not specified and evaluated in the literature. There is also no prediction of the remaining service life.
  • the invention determines in particular by extrapolation with the aid of a mathematical model of the energy store.
  • a motor vehicle lead battery (- .. $. Dt-? ⁇ i ⁇ _o 1% 21 f " ⁇ ) t-? 4D 30 3 OG), the remaining service life until an arbitrarily definable minimum capacity and / or storage capacity given boundary conditions for state of charge and temperature is reached.
  • the remaining service life and a warning at differen 'reitung a .vorpetiten SchweJlwerts be indicated to the driver.
  • the invention overcomes the i booth the technique .Nachmaschine described the known method for determining the fitness for use of an energy store with the aid of a model of the energy accumulator, the parameters of which can be adapted over the service life continuously on 'the real values .. From the reference at regular intervals of the ' model calculated and stored values of the capacity and / or storage capacity related to a given state of charge (eg full charge) * and temperature ' (eg cold start temperature -18 ° C) and the minimum values required for the respective application, the expected Res ' tiebensdaer determined by extrapolation.
  • the advantages over the state of the art are: Use of a mathematical model with automatic adaptation to the energy storage used through continuous adaptation of the parameters of the energy storage model (e.g.
  • the voltage u. Initialized charge predictor used mathematical battery model.
  • the voltage predictor provides the current performance of the battery by with the help of the battery clip, the voltage responses U B5 ⁇ :, prsdi, 2, ... to given load current profiles, 2 , ... under given boundary conditions for the battery state variables Z ⁇ I , ⁇ , ... and temperatures T BactD1 , 2r . .. predicted (cf. D_ - ⁇ -K> o ⁇ b ⁇ 2l -
  • the vector z ⁇ i (2 , ... of the battery state variables to be specified in the battery model contains, for example, variables such as resting voltage, concentration and concentration factors for a lead acid battery.
  • the charge predictor provides the current storage capacity of the battery by using the removable battery model Q e , P ceeu, 2, ... for the discharge currents
  • the discharge current profile Is att ⁇ e u a load current profile is expanded in accordance with the ones used for voltage prediction and for U Batl .Q the minimum permitted battery voltage when loaded with the specified load current profile is used (see! W ⁇ 'M®3 & i & £ - • A starter battery can do so For example, how large the charge reserve is with full charge, a given discharge current and temperature up to the start ability limit.
  • stage III the time courses of the voltages U Batt , predlr 2, ...
  • tgssc mm (tp, es t ⁇ i; tRe ⁇ tt J 2 / ⁇ • • / tR est Qi, t RaslL Q2, 7)
  • the extrapolation can also be carried out using more than 2 time-voltage or time-charge value pairs and more complex methods such as linear regression or, in the case of non-linear processes, using polynomials or methods based on neural networks (RBF).
  • extrapolation rules can be derived from already measured and thus known courses of storage or performance over the battery life. If a predetermined minimum value t Re3 , m i ⁇ of the remaining service life is undershot , an optical and / or acoustic warning signal is output to the driver, which prompts the battery to be replaced.
  • warning signal (t rest ⁇ t Resc, m i n) or ... (u * Ba tt, prsdl, 2, ... -u "Ba ⁇ : t ⁇ nl, 2, ...) ⁇ 2 , ... Or .. (Qe, pradl, 2, ...- Qem ⁇ nl, 2, ...) ⁇ Qeminl, 2 , ...

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Abstract

Es werden Verfahren zur Vorhersage einer Restlebensdauer eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere einer Batterie in einem KFZ sowie Vorrichtungen zur Durchführung solcher Verfahren beschrieben, bei denen die Restlebensdauer durch Extrapolation mit Hilfe eines mathematischen Modells des Energiespeichers ermittelt wird. Diese Restlebensdauer wird als Zeit bis zum Erreichen beliebig festlegbarer Grenzwerte für die Mindestleistung oder Mindestspeicherfähigkeit festgelegt. Die verbleibende Lebensdauer bzw. die Restlebensdauer sowie eine Warnung bei Unterschreiten eines vorgebbaren Schwellwertes werden angezeigt. Die Parameter des Energiespeichers werden über die Lebensdauer kontinuierlich an die realen Werte adaptiert. Aus den in regelmäßigen Zeitabständen anhand des Modells berechneten und gespeicherten Werten der auf einen vorgebbaren Ladezustand und Temperatur bezogenen Leistungsfähigkeit und/oder Speicherfähigkeit und den für den jeweiligen Anwendungsfall geforderten Mindestwerten wird die zu erwartende Restlebensdauer durch Extrapolation bestimmt.

Description

24.06.03 Bü/Pv
ROBERT-BOSCH GMBH, 70442 Stuttgart
Nerfahren zur Norhersage einer Restlebensdauer eines elektrischen Energiespeichers
Die Erfindung betrifft Nerfahren zur Norhersage einer Restlebensdauer eines elektrischen Energiespeichers* nach der Gattung des Haupranspruchs sowie Nerrichtungen zur Durchführung der erfmdungsgemäßen Nerfahren.
Stand der Technik
Bei elektrischen Energiespeichern wie Akkumulatoren ist die Vorhersage der verbleibenden Restlebensdauer bis zur Gebrauchsunfähigkeit insbesondere bei Bleiakkus im Kfz von großer Bedeutung. Durch einen Warnhinweis an den Fahrzeugbetreiber vor einem bevorstehenden Batterieausfall kann die Batterie rechtzeitig getauscht und damit* ein Liegenbleiben des Fahrzeugs oder der -Ausfall elektrisch betriebener insbesondere sicherheitskritischer Verbraucher wie x-by-wire- Systeme vermieden werden. Ein zu frühzeitiger Batterie- tausch muss allerdings aus. Kostengründen vermieden werden. Entscheidend sind daher auf den jeweiligen Anwendungsfall ' zugeschnittene und möglichst exakt auswertbare Metriken 'für die Gebrauchstüchtigkeit mit parametrierbaren Schwellwerten für: eine Batterietauschanzeige.
A s der -Literatur sind verschiedene Verfahren zur Ermittlung der* Gebrauchstüchtigkeit (SOH *= State of Health) von Energiespeichern insbesondere von Bleiakkus, wie sie im Kfz eingesetzt werden bekannt. Als Maß für den Alterüngszustand der Batterie wird zum einen die Abnahme ihrer Speicherfähigkeit gegenüber dem Νeuzust nd -herangezogen, die z.B. durch Monitoring der Betriebsbedingungen wie L'adύngsumsatz, .Tiefentladephasen und Umgebungstemperatur abgeschätzt (US 6.103.408) oder aus den Strom- u. Spannungsverläufen in typischen, wiederkehrenden Belastungsfällen . (Motorstart*) er- 2005 0
mitteit wird. Zum anderen wird als Alterungsmaß auch die Abnahme der Leistungsfähigkeit durch Beobachtung des Spannungseinbruchs beim Motorstart (DE 19750309 J oder des tem- peratur- und ladezustandskompensiexten dynamischen Innenwiderstands (DE 3712629C2, DE 10049495J)über der Batterielebensdauer verwendet.
Die aktuelle Gebrauchstüchtigkeit des Energiespeichers wird also entweder anhand der aktuellen Speicherfähigkeit oder der Leistungsfähigkeit bezogen auf den Motorstart bewertet. Genauere auf unterschiedliche auch kombinierte Anwendungsfälle (Motorstart, Elektro-/Hybridfahrzeug, Versorgung sicherheitskritischer elektrischer Verbraucher, .. - ) appli- zierbare Kriterien für die Gebrauchstüchtigkeit werden in der Literatur nicht angegeben und ausgewertet. Auch eine Vorhersage der noch verbleibenden Lebensdauer findet nicht statt .
Aufgabe der Erfindung. Die Erfindung ermittelt durch Extrapolation mit Hilfe eines mathematischen Modells des Energiespeichers insbesondere . einer Kfz-Bleibatterie (-..$. Dt- ?<iθ _o 1%21 f "ι)t-? 4D 30 3 O G ) , die noch verbleibende Lebensdauer, bis eine beliebig vorgebbare Mindestleistungs- und/oder , -Speicherfähigkeit bei gegebenen Randbedingungen für Ladezustand und Temperatur unterschritten wird. Die verbleibende Lebensdauer und eine Warnung bei Untersch'reitung eines .vorgegebenen SchweJlwerts werden dem Fahrzeugführer angezeigt.
Vorteile, der Erfindung
Die Erfindung überwindet die i -Stand der -Technik beschriebenen .Nachteile der bekannten Verfahren zur Bestimmung der Gebrauchstüchtigkeit eines Energiespeichers mit Hilfe eines Modells des Energiespeichers, dessen Parameter über der Lebensdauer kontinuierlich an' die realen Werte adaptiert werden.. Aus den in regelmäßigen Zeitabständen anhand des' Modells berechneten und gespeicherten Werten der auf einen vorgegebenen Ladezustand (z.B. Volladung)* und Temperatur "(z.B. Kaltstarttemperatur -18°C) bezogenen Leistungs- und/oder Speicherfähigkeit und den für den jeweiligen An- wendungsfall geforderten Mindestwerten, wird die zu erwartende Res'tiebensdaüer durch Extrapolation bestimmt. Die Vorteile gegenüber dem Stand der Technik sind im einzelnen : Verwendung eines mathematischen Modells mit selbsttätiger Anpassung an den verwendeten Energiespeicher durch konti-ι nuierliche Adaption der Parameter des Energiespeichermodells (z.B. wichtig nach Batteriewechsel im Kfz -> keine Kennfelder für Alterungsverhalten der eingesetzten Batterie erforderlich) -> genauere Bestimmung der Gebrauchstüchtigkeit und der Restlebensdauer -> Verringerung der Gefahr eines zu frühen bzw. zu späten Bätterietauschs auf den jeweiligen Anwendungsfall zugeschnittene einfach parametrierbare Metriken für die Gebrauchstüchtigkeit des Energiespeichers bzgl. Speicher- und/oder Leistungsfähigkeit -> einfach an unterschiedliche Anwendungsfälle ap- plizie'rbar
Ermittlung der noch verbleibenden Lebensdauer durch Ext- , rapolation der Zeitverläufe der berechneten auf einen be-1 stimmten Ladezustand und Temperatur bezogenen Speicherund/oder Leistungsfähigkeit -> rechtzeitige Warnung bei schneller Abnahme von Speicher- und/oder Leistungsfähigkeit auch wenn deren Absolutwerte aktuell noch ausreichend hoch sind -> z.B. wird bereits im Sommer eine unter Winterbedingun-, gen nicht mehr kaltstartfähige Batterie erkannt und kann so rechtzeitig getauscht werden.
Beschreibung / Realisierung Bild 1 zeigt die grundsätzliche Struktur des Verfahrens. Es teilt sich in 3 -Stufen auf. Zunächst werden in der ersten Stufe die im Vektor jo zusammengefassten Parameter des mathematischen Energiespeicher-Modells mittels eines Parameterschätzers (z.B. Kaiman-Filter nach R.304628) durch kontinuierliche Messung der Betriebsgrößen Batteriestrom IBact/ -Spannung UBatt und -temperatur TBatt adaptiert. Bei einer Bleibatterie enthält p_ z.B*. Größen wie ohmscher Innenwiderstand, Kapazität u. Diffusionswiderstand. Wichtig ist, dass diese Größen auf eine vorgegebene Temperatur J z . B . 25 °C) und Ladezustand (Volladung) l normiert sind, d.h. diese sich bei gegebener Batterie nur aufgrund von Alterungseinflüssen ändern. Mit den Batterieparametern p_ wird in der zweiten Stufe das im Spannungs- u. Ladungsprädiktor verwendete mathematische Batteriemodell initialisiert. Der Spannungsprädiktor liefert die aktuelle Leistungsfähigkeit der Batterie, indem er mit Hilfe des Batteriemoclells die Spannungsantworten UB5ι:,prsdi,2, ... auf gegebene Laststromprofile lautem,2, ... unter gegebenen Randbedingungen für die Batteriezustandsgrößen ZΠI,Ϊ, ... und -temperaturen TBactD1,2r ... prädiziert (vgl. D_ - γ -K> o^b~2l - Der Vektor zσi(2, ... der vorzugebenden Batteriezustandsgrößen des Batteriemodells enthält bei einer Bleibatterie z.B. Größen wie RuheSpannung , Konzentrations- u.
Durchtrittspolarisation. IBsttαι,2 , 5.111,2,... un-d ΪBattαι,2, ... sind abhängig vom Anwendungsbereich des Energiespeichers vorzugeben. Z.B. wären bei einer Starterbatterie für IBattu das vom Anlasser bei der KaltStarttemperatur TBai;to=-180C geforderte Stromprofil mit _zD entsprechend einer vollgeladenen Batterie sinnvolle Vorgaben.
Der Ladungsprädiktor liefert die aktuelle Speicherfähigkeit der Batterie, indem er mit Hilfe des Batteriemodells die entnehmbaren Ladungen Qe,Pceeu,2, ... für die Entladeströme
Figure imgf000006_0001
volladung, die aktuell unter Nennbedingungen entnehmbare Ladung einer Starterbatterie der Nennkapazität -K20. Mit dem Ladungsprädiktor können auch kombinierte Anforderungen an den Energiespeicher bzgl. Speicher- und Leistungsfähigkeit ausgewertet werden. Dazu wird das Entladestromprofil Isattςe u ein Lastromprofil entsprechend den zur Spannungsprädiktion verwendeten erweitert und für UBatl.Q die minimal erlaubte Batteriespannung bei Belastung mit dem vorgegebenen Laststromprofil eingesetzt (s !W~'M®3&i&£ - • Be einer Starterbatterie kann so z.B. berechnet werden, wie groß die Ladungsreserve bei Volladung, vorgegebenem Entla- destrom und Temperatur bis zur Startf higkeitsgrenze ist. In Stufe III werden die Zeitverläufe der von Spannungs- u. Ladungsprädiktor berechneten Spannungen UBatt,predlr2,... und entnehmbarεn Ladungen Qe,pEedl,2, ... gespeichert und die Zeitdauer t-Rest; bis mindestens eine dieser Größen ihren zugehörigen vorgegebenen Minimalwert üBactπιinι,2, ... bzw. Qemini,2, ... unterschreitet durch Extrapolation berechnet (s. Bild 2) . Die vorgegebenen Minimalwerte üHattπ-iπi,2,... bzw. Q5tninι,2,... kennzeichnen die Grenze zur Gebrauchsunfähigkeit der Batterie bezüglich der jeweiligen Anforderungen an ihre Speicher- und/oder Leistungsfähigkeit. Die Extrapolation kann im einfachsten Fall linear aus den letzten 2 zu deii Zeitpunkten ta,t gespeicherten Zeit- Spannungs- bzw. Zeit-Ladungswertepaarεn durchgeführt werden: Rest, U - (t'D _ta) ' (UBatϊ:mln-(JBatt,pr=!b) / (UBatc,pre b UBatτ.-preda ) bzw.
^Res ,Q = (tb_t ) * (Qeraιn_Qe,prΞdb) / (Qs,prsdb~Qa,pr-äda)
Bei mehreren Vorgaben für Speicher- und/oder Leistungsfähigkeit wird die resultierende Restlebensdauer tResι; durch Minimumbildung der einzelnen tEestrm,2, ..~ und. tÄest,Q1/2/ ...-Werte bestimm : tgssc = mm (tp,estπi; tReεttJ2/ ■ • • / tRestQi, tRaslLQ2, .. . )
Zur genaueren Ermittlung der Restlebensdauer tRast kann die Extrapolation auch mit mehr als 2 Zeit-Spannungs- bzw. Zeit-Ladungswertepaaren und aufwendigeren Verfahren wie linearer Regression oder bei nichtlinearen Verläufen mittels , Polynomen oder auf neuronalen Netzen basierenden Methoden (RBF) durchgeführt werden. Weiterhin können aus bereits gemessenen und damit bekannten Verläufen von Speicher- bzw. Leistungsfähigkeit über der Batterielebensdauer Extrapola- tionsvorschriften abgeleitet werden. Bei Unterschreitung eines vorgegebenen Mindestwerts tRe3,miπ der Restlebensdauer wird ein optisches und/oder akustisches Warnsignal an den Fahrer ausgegeben, das zum Batterietausch au fordert. Um bei lach abfallenden oder gar ansteigenden Zeitverläufen der prädizierten Spannung oder entnehmbaren Ladung, die nahe an den vorgegebenen Minimalwerten liegen, eine zu späte Batterietauschwarnung zu vermeiden, wird als zusätzliches Tauschkriterium die Unterschreitung eines vorgegebenen Mindestabstands zwischen aktueller prädizierter Spannung bzw. entnehmbarer Ladung und dem zugehörigen Minimalwert ergänzt: Warnsignal = (tRest < tResc,min) oder ... (u* Batt,prsdl,2, ...-u" Baτ:tπιιnl,2, ...) <
Figure imgf000007_0001
2, ... Oder .. (Qe,pradl,2, ...-Qemιnl,2, ...) < ΔQeminl, 2, ...

Claims

24.06.03 Bü/Pv5 ROBERT BOSCH GMBH, 70442 StuttgartAnsprüche
1. Nerfahren zur Norhersage einer Restlebensdauer eines elektrischen Energiespeichers, 0 insbesondere einer Batterie in einem KFZ, dadurch gekennzeichnet, dass die Restlebensdauer durch Extrapolation mit Hilfe eines mathematischen Modells des Energiespeichers ermittelt wird und diese Restlebensdauer als Zeit bis zum Erreichen beliebig festlegbarer Grenzwerte für die Mindestleistung oder Mindestspeicherfähigkeit definiert wird und die verbleibende Lebensdauer bzw. die .5 Restlebensdauer angezeigt wird und bei Unterschreiten eines vorgebbaren Schwellwertes für. die Restlebensdauer eine Warnung abgegeben wird. *
2. Nerfahren zur Norhersage einer Restϊebensdauer eines elektrischen Energiespeichers nach Anspruch -1, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter des Energiespeichers i 0 über die Lebensdauer kontinuierlich an die realen Werte adaptiert werden.
3. Nerfaliren zur Norhersage einer Restlebensdauer eines elektrischen Energiespeichers . nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Werte für die Leistungsfähigkeit und/oder Speicherfähigkeit des Energiespeichers in regelmäßigen 15 Zeitabständen anhand des Modells berechnet und gespeichert werden.
4. Nerfahren zur Norhersage einer Restlebensdauer eines elektrischen Energiespeichers nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Werte für die Leistungsfähigkeit und/oder Speicherfähigkeit des Energiespeichers auf einen vorgebbaren Ladezustand
30 und/oder eine Temperatur bezogenen werden.
5. Nerfahren zur Vorhersage einer Restlebensdauer eines elektrischen Energiespeichers nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Werten für die Leistungsfähigkeit und/oder. Speicherfähigkeit des Energiespeichers und den für den
35 jeweiligen Anwendungsfall geforderten Mindestwerten die zu erwartende Restlebensdauer durch Extrapolation bestimmt wird.
6. Norrichtung zur Norhersage einer Restlebensdauer eines elektrischen Energiespeichers, dadurch gekennzeichnet, dass mit ihr wenigstens ein Nerfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchgeführt wird und die Norrichtung wenigstens Prozessor- und Speichermittel sowie Anzeigemittel umfasst.
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