WO2021224327A1 - Verfahren zum betreiben eines elektrisch angetriebenen fahrzeugs unter berücksichtigung von komponentengrenzen für elektro-chemische speicher - Google Patents

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battery
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Stefan Lupberger
Bernhard Seidl
Dirk Odenthal
Wolfgang DEGEL
Michael Sailer
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating an electrically driven vehicle, taking into account component limits for electrochemical storage devices.
  • Electro-chemical storage systems react sensitively to voltages and currents that exceed the component-specific limits. Therefore, appropriately programmed function modules on electronic control units (hereinafter referred to as battery management systems, abbreviation: BMS) monitor compliance with these component-specific limits of the electrochemical storage device by limiting the maximum charging and discharging currents. For monitoring purposes, the measured actual currents and actual voltages are compared with the limit values and, if these limit values are exceeded, this leads to certain current limits or shutdowns. The information about the limited charging and discharging currents is necessary for further control and regulation devices on electronic control units in electric vehicles with built-in electro-chemical storage devices, in order to limit the permitted electromotive limits for the drive torque and a regenerative one Derive braking torque. Their implementation results in the actual currents and actual voltages of the high-voltage components.
  • the control method for forming the limits is linked to the control and regulation methods of the vehicle dynamics and drive control and regulation that generate the target torque. Sudden changes in the torque limits for the electric motors result in abrupt changes in the limits caused by the BMS or power-electronic shutdowns (e.g. relay switching), which lead to sudden changes in the set that impair comfort, performance, acoustics, safety and / or component protection Actual moments can lead.
  • BMS battery management system
  • a method for operating a vehicle that is electrically driven by means of an electrochemical storage device is designed as a battery with a plurality of cells.
  • An inverted dynamic equivalent model of a cell is used to determine a minimum (maximum amount in terms of amount) charging current (output variable, charging current limit).
  • the charging currents in the present application have a negative sign. This means that a minimum charging current is maximum in terms of amount.
  • the minimum charging current (charging current limit) is used as a function of the voltage difference between the current open circuit voltage of the cell and the maximum permissible cell voltage (voltage difference as input variable). It should be noted that the current open circuit voltage cannot be measured.
  • a terminal voltage U (t) of a cell is measured, which is described in more detail below using the equivalent model of a cell.
  • the current open circuit voltage is estimated for the case that currents flow based on empirically determined values. There are numerous procedures and models for this.
  • the current no-load voltage is approximately constant within a braking process. With the current disappearing, the terminal voltage corresponds to the current no-load voltage.
  • An inverted dynamic equivalent model of a battery cell is used to determine a maximum discharge current (output variable, discharge current limit) as a function of the voltage difference from the current open circuit voltage of the cell and the minimum permissible cell voltage (voltage difference as input variable).
  • discharge currents have a positive sign.
  • Case (a.) And / or case (b.) Is advantageously carried out in a monitoring and / or control unit of the electrically driven vehicle for operating the vehicle. This improves the use of the battery with regard to the vehicle's torque limits.
  • the cell can advantageously be selected and used which in case (a.) Has the highest open circuit voltage or in case (b.) The lowest open circuit voltage.
  • This cell serves as a model for determining the current for the entire battery. In other words, a total charging current or total discharge current of the battery is calculated as if all cells of the battery had the properties of the limiting cell, at least with regard to the open circuit voltage, the internal resistance and the dynamic behavior.
  • a minimum and / or maximum power limit of the electrochemical store can be determined using the inverted equivalent model.
  • the monitoring and / or control unit can advantageously determine an (a.) Minimum and / or (b.) Maximum permissible (total) torque for the electric vehicle based on the performance limits.
  • an (a.) Minimum and / or (b.) Maximum permissible (total) torque for the electric vehicle based on the performance limits.
  • the signs introduced above with regard to the currents must be observed.
  • a braking torque is negative. Therefore, the minimum braking torque is also maximum here in terms of amount.
  • the maximum drive torque has a positive sign and is therefore maximum in terms of amount.
  • the inverted equivalent model according to the aspects of the present disclosure is advantageously used to determine the limited current (current limit). Assuming full utilization of the current limit, this can be used in the non-inverted equivalent model in order to determine the terminal voltage that would result from full utilization. The product for the power equality and the associated power and / or torque limits is determined from this terminal voltage (limited voltage) and the limited current.
  • the power limits can therefore be set by means of the power equality, taking into account the measured speed of one or more wheels or a speed of an averaged wheel modeled from the vehicle speed and the target slip to determine the maximum or minimum permissible total torque for the control and regulation processes of the driving dynamics and drive control and regulation that generate the target torque be used.
  • the actual wheel speeds can of course vary individually.
  • the electrochemical storage device is usually used for all wheels.
  • the vehicle speed is therefore preferably used and converted to the speed of the wheels, taking into account the setpoint slip, etc.
  • the inverted equivalent model can be based on an equivalent circuit.
  • the substitute model can be linear and para- etervariant.
  • the equivalent circuit can have a DC voltage source corresponding to the current no-load voltage, an internal resistance and one or more RC elements, all of which are connected in series.
  • the equivalent circuit can have the cell current as an input and the cell voltage as an output.
  • the substitute model (the cell of the battery) can advantageously take into account the following cell properties: no-load characteristic, internal resistance, dynamic behavior, state of charge and cell temperature, with the last two having the greatest influence on the resistance and capacity of the substitute model.
  • the aging of the cell can also advantageously be taken into account.
  • the internal resistance (Ri) and the RC element (s) (R1C) can also vary with regard to a charging process or a discharging process.
  • a simulation of a low-pass behavior of battery current to battery voltage advantageously takes place. This is advantageous because a low pass slowly approaches its final value. If this low-pass is inverted, a current that is large in terms of magnitude can initially be permitted.
  • the current no-load voltage can be determined by combining the cell-specific relationship between no-load voltage and state of charge, open integration of the current for the state of charge and resetting the value to the current voltage value if there is no charging or discharging current for a longer period of time (> 500ms) is available.
  • Resetting means that the terminal voltage of the cell is measured because after a certain time without charging or discharging current, the terminal voltage corresponds to the current open circuit voltage. More complex modeling and observation methods come into consideration in cases in which currents flow continuously.
  • An electrically powered vehicle which comprises an electrochemical energy store as a battery and an electric drive, the vehicle having one or more monitoring and / or control units which are set up to carry out the method according to one of the aspects mentioned here.
  • the aspects of the present disclosure can also be applied to stationary drives.
  • the invention also provides a control unit for an electric vehicle which is set up to implement the aspects of the method.
  • Figure 1 shows a simplified electrical equivalent circuit diagram of a cell of a battery
  • FIG. 2 shows a simplified illustration of a control loop for an electric vehicle using the present disclosure.
  • FIG. 1 shows a simplified electrical equivalent circuit diagram of a cell 1 of a battery.
  • the DC voltage source UOCV represents the current open circuit voltage of the cell and provides a current I (t) that flows through the internal resistance Ri and then through the RC element R1C, which consists of a parallel circuit of a resistor R1 and a capacitance C.
  • the terminal voltage U (t) is provided at the output of the cell.
  • the parameters Ri, R1 and C can vary widely for charge and discharge and generally depend on the state of charge (SoC) and the cell temperature.
  • SoC state of charge
  • the cell is modeled here as a linear, parameter-variant system, the parameters of which are determined by tests.
  • the dynamic voltage behavior through the resistors R1 and Ri as well as the capacitance C can be described by the following transfer function:
  • the current open circuit voltage UOCV is a non-linear function of the electrical charge, i.e. the state of charge (SoC). For a given cell, this characteristic is determined by tests with low charge and discharge rates. Since an exact measurement of the current current of a battery used is possible, a combination of ampere-hour measurement and recalibration during standstill can be used to determine the current open-circuit voltage UOCV during operation.
  • the recalibration (or from RESET) is based on the fact that the terminal voltage U (t) corresponds to the current open circuit voltage UOCV when no current I (t) is flowing. This possibility of determining the current open circuit voltage applies both to the open circuit voltage of each cell and to the entire battery.
  • the ampere-hour measurement is based on the integration of the discharge and charge current l (t) and can be described by the following equation:
  • Qbat is the determined amount of stored charge (in Ah) or the battery capacity.
  • the initial SoC (tO) is determined by a voltage measurement during standstill, when no current is flowing in or out, this measurement being combined with the inverse relationship between the open circuit voltage and the state of charge.
  • the charging current limit Imin decreases over the time of braking. This fact is used advantageously according to the present disclosure, that is to say the use of high initial charging currents in terms of amount.
  • Battery arrangements for electrically powered vehicles are composed of a large number of cells that are connected to one another in series and in parallel. Under real conditions, their open circuit voltages can differ from one another. For this reason, a “worst case” analysis is used here, which uses the cell with the highest open circuit voltage UOCV (for the charging current limit) to determine Imin. This can be used advantageously to determine a permissible total charging current for the entire battery. It is assumed that all cells of the battery behave like the WORST-CASE cell. In particular, the open circuit voltage UOCV and the parameters Ri, R1 and C are based on the WORST-CASE cell. Imin is calculated from Eq. 5.
  • the above type of modeling using a worst-case cell applies analogously to the discharge current limit of the case (b.).
  • the cell with the lowest open circuit voltage UOCV (for the discharge current limit) is used to determine Imax.
  • Imax is the maximum discharge current (positive sign) that can be drawn from the cell. This can advantageously be used to determine a permissible total discharge current for the entire battery. It is assumed that all cells of the battery behave as the WORST-CASE cell. In particular, the open circuit voltage UOCV and the parameters Ri, R1 and C are based on the WORST-CASE cell.
  • Imax is calculated from Eq. 5, if Imin is replaced by Imax and Umax by Umin.
  • the maximum (in terms of amount) permissible discharge current Imax ensures that the voltage does not fall below the minimum voltage limit Umin of the WORST-CASE cell.
  • the fact that the dynamic overvoltage builds up slowly due to the voltage drop across R1C is used to initially allow high discharge currents for the drive.
  • Ulim is the terminal voltage that results from the recalculation using the non-inverted equivalent model. In making this calculation, the brain is first determined as indicated in this disclosure. Then Ulim is then determined (not by measurement).
  • Ilirn is the maximum (or absolute minimum) from the charging current limit Imin of the present disclosure, which does not represent a hard limit, and the hard absolute charging current limit through the battery management system Ibmsa (cf. also FIG. 2 in this regard) ).
  • lmin> lbmsa (or abs (lmin)
  • ⁇ abs (lbmsa) in terms of amount applies.
  • llirn is the minimum (also the minimum in terms of amount) from the discharge current limit Imax of the present disclosure, which does not represent a hard limit, and the hard absolute discharge current limit through the battery management system Ibmsb (cf. also FIG. 2) .
  • lmax ⁇ lbmsb.
  • Tbat is the resulting total braking torque limit for case (a.) And the resulting total drive torque limit (resulting from equation 6 by solving for Tbat) of the battery and w is the speed of a battery for case (b.) averaged wheel, which is advantageously determined from the vehicle speed and the target slip of the wheels (in case (a.) target brake slip and in case (b.) target drive slip).
  • the efficiency of the components can also advantageously be taken into account.
  • FIG. 2 shows a simplified illustration of the control loops for an electric vehicle using the present disclosure.
  • stage 21 (limit control stage) in which the transfer function of the inverted battery model is located, which is determined according to the present disclosure.
  • a minimum (maximum amount) charging current Imin is determined from the current open circuit voltage UOCV (the cell with the currently highest open circuit voltage) and the maximum permissible cell voltage Umax.
  • a maximum (also maximum in terms of amount) charging current Imax is determined from the current open circuit voltage UOCV (the cell with the currently lowest open circuit voltage) and the minimum permissible cell voltage Umin.
  • This current Imin and / or Imax is compared in stage 25 with a further current Ibmsa and / or Ibmsb, which emerges from the battery management system 22.
  • the maximum (absolute minimum) is selected from the two currents Imin and Ibmsa.
  • the minimum (also the absolute minimum) is selected from the two currents Imax and Ibmsb.
  • the conventional battery management system (BMS) 22 only specifies hard discrete values for the current Ibmsa or Ibmsb.
  • the torque limits Tbat for the target torque-forming (Msoll) control and regulating methods of the driving dynamics and drive control and regulation 24 are determined via the above-explained power equality in step 26.
  • a speed determination can take place on the basis of the vehicle speed vx resulting from the controlled system “actuator, drive train, wheel, driving dynamics” in step 23 in combination with the target slip of the wheels.
  • the correlation between the mechanical power from the actual torques of the electric drives Mist and the speeds and the electrical power from the actually measured battery current Imess (t) and the measured battery terminal voltage Umess (t) is indicated via the power equality in stage 27.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines mittels eines elektrochemischen Speichers elektrisch angetriebenen Fahrzeugs und ein entsprechendes elektrisch angetriebenes Fahrzeug, wobei der elektrochemische Speicher als Batterie mit einer Mehrzahl von Zellen ausgestaltet ist und das Verfahren mindestens einen der folgenden Schritte umfasst: (a) Verwenden eines invertierten dynamischen Ersatzmodells einer Zelle zur Bestimmung eines minimalen Ladestroms als Funktion der Spannungsdifferenz aus aktueller Leerlaufspannung (UOCV) der Zelle und maximal zulässiger Zellspannung (Umax) oder (b) Verwenden eines invertierten dynamischen Ersatzmodells einer Batteriezelle zur Bestimmung eines maximalen Entladestroms als Funktion der Spannungsdifferenz aus aktueller Leerlaufspannung (UOCV) der Zelle und minimal zulässiger Zellspannung (Umin).

Description

Verfahren zum Betreiben eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs unter Berücksichtigung von Komponentengrenzen für elektro-chemische
Speicher GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs unter Berücksichtigung von Komponentengrenzen für elektro-chemische Speicher.
TECHNISCHER HINTERGRUND Komponentengrenzen für elektrochemische Speicher entsprechen festen
Werten, z.B. für die Maximalspannung und den Maximalstrom. Wenn die aktuellen gemessenen Werte diese festgelegten Grenzwerte erreichen, oder bspw. der Ladezustand eine festgelegte Grenze über-oder unterschreitet, wird der zulässige Lade- oder Entladestrom abrupt gegen Null gesenkt. Im Allgemeinen findet in modernen Batteriemanagementsystemen keine vorausschauende, kontinuierliche Überwachung dieser Grenzen statt. Stattdessen kommt es zu sprunghaften Änderungen.
Elektro-chemische Speicher reagieren sensitiv auf Spannungen und Ströme, welche die komponentenspezifischen Grenzen überschreiten. Daher überwachen in der Regel entsprechend programmierte Funktionsmodule auf elektronischen Steuereinheiten (im Folgenden Batteriemanagementsysteme, Abk: BMS, genannt) die Einhaltung dieser komponentenspezifischen Grenzen des elektro-chemischen Speichers durch Begrenzung der maximalen Lade- und Entladeströme. Zur Überwachung findet ein Abgleich der gemessenen Istströme und Istspannungen zu den Grenzwerten statt und führt bei Überschreitung dieser Grenzwerte zu bestimmten Strombegrenzungen bzw. Abschaltungen. Die Information über die limitierten Lade- und Entladeströme ist notwendig für weitere Steuer- und Regelungsvorrichtungen auf elektronischen Steuereinheiten in elektrischen Fahrzeugen mit verbauten elektro-chemischen Speichern, um die erlaubten elektromotorischen Grenzen für das Antriebsmoment und ein regeneratives Bremsmoment abzuleiten. Durch deren Umsetzung ergeben sich die Istströme und Istspannungen der Hochvoltkomponenten.
Durch Verwendung der Istströme und Istspannungen für die Bestimmung der durch das Batteriemanagementsystem (BMS) kommunizierten Strom- und Spannungsbegrenzungen erfolgt aus regelungstechnischer Sicht eine Verkopplung des Regelverfahrens zur Bildung der Grenzen mit sollmomentenbildenden Steuer- und Regelverfahren der Fahrdynamik- und Antriebssteuerung und -regelung. Durch abrupte Änderung der Limitierungen durch das BMS oder leistungselektronisch durchgeführte Abschaltungen (z.B. Relais-Schaltungen) resultieren sprungförmige Änderungen in den Momentengrenzen für die Elektromotoren, die zu komfort-, leistungs-, akustik-, sicherheits-, und/oder bauteilschutzbeeinträchtigenden sprunghaften Veränderungen des gestellten Istmoments führen können. Heutige Abhilfemaßnahmen beruhen auf vereinfachten (empirischen) Betrachtungen mit Verändern der Momentengrenzen für die sollmomentenbildenden Steuer- und Regelverfahren der Fahrdynamik- und Antriebssteuerung und- regelung anhand des Ladezustands (SoC = State of Charge) des elektro-chemischen Speichers. Das heißt, sobald der Ladezustand gewisse Schwellwerte über- oder unterschreitet, werden die zulässigen Antriebs- oder regenerativen Bremsmomente reduziert. Diese Abhilfemaßnahmen berücksichtigen nicht den potentiell unterschiedlichen Ladezustand der Zellen (Stichwort: Balancing). Sie sind auch zu ungenau, um optimale Lade- und Entladegrenzen für eine maximale Leistungsausnutzung des elektro-chemischen Speichers bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Nutzung eines als Batterie dienenden elektrochemischen Speichers eines elektrischen Fahrzeugs zu optimieren, insbesondere soll die Nutzung der Batterie im Hinblick auf Lade- und Entladeströme bzw. Momentengrenzen des Fahrzeugs verbessert werden.
Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines mittels eines elektrochemischen Speichers elektrisch angetriebenen Fahrzeugs bereitgestellt. Der elektrochemische Speicher ist als Batterie mit einer Mehrzahl von Zellen ausgestaltet. In einem Anwendungsfall (a.) wird ein invertiertes dynamisches Ersatzmodell einer Zelle zur Bestimmung eines minimalen (betragsmäßig maximalen) Ladestroms (Ausgangsgröße, Ladestromgrenze) verwendet. Die Ladeströme haben in der vorliegenden Anmeldung definitionsgemäß ein negatives Vorzeichen. Das bedeutet, dass ein minimaler Ladestrom betragsmäßig maximal ist. Der minimale Ladestrom (Ladestromgrenze) wird als Funktion der Spannungsdifferenz aus aktueller Leerlaufspannung der Zelle und maximal zulässiger Zellspannung (Spannungsdifferenz als Eingangsgröße) verwendet. Dabei ist zu beachten, dass die aktuelle Leerlaufspannung nicht gemessen werden kann. Gemessen wird eine Klemmenspannung U(t) einer Zelle, welche weiter unten anhand des Ersatzmodell einer Zelle näher beschrieben ist. Die aktuelle Leerlaufspannung wird für den Fall, dass Ströme fließen, basierend auf empirisch ermittelten Werten geschätzt. Dafür gibt es zahlreiche Verfahren und Modelle. Innerhalb eines Bremsvorgangs ist die aktuelle Leerlaufspannung näherungsweise konstant. Mit verschwindendem Strom entspricht die Klemmenspannung der aktuellen Leerlaufspannung.
In einem Anwendungsfall (b.) wird ein invertiertes dynamisches Ersatzmodell einer Batteriezelle zur Bestimmung eines maximalen Entladestroms (Ausgangsgröße, Entladestromgrenze) als Funktion der Spannungsdifferenz aus aktueller Leerlaufspannung der Zelle und minimal zulässiger Zellspannung (Spannungsdifferenz als Eingangsgröße) verwendet. Entladeströme haben definitionsgemäß ein positives Vorzeichen.
Vorteilhaft wird Fall (a.) und/oder Fall (b.) in einer Kontroll- und/oder Steuereinheit des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs zum Betreiben des Fahrzeugs ausgeführt. Dadurch wird die Nutzung der Batterie im Hinblick auf Momentengrenzen des Fahrzeugs verbessert.
Aus einer Mehrzahl von Zellen der Batterie, kann vorteilhaft die Zelle (limitierende Zelle) ausgewählt und verwendet werden, welche im Fall (a.) die höchste Leerlaufspannung oder im Fall (b.) die niedrigste Leerlaufspannung aufweist. Diese Zelle dient als Modell für die Bestimmung des Stroms für die gesamte Batterie. Mit anderen Worten wird ein Gesamtladestrom oder Gesamtentladestrom der Batterie so berechnet, als hätten alle Zellen der Batterie die Eigenschaften der limitierenden Zelle, zumindest im Hinblick auf die Leerlaufspannung, den Innenwiderstand und das dynamische Verhalten. Gemäß einem vorteilhaften Aspekt kann eine minimale und/oder maximale Leistungsgrenze des elektro-chemischen Speichers unter Verwendung des invertierten Ersatzmodells bestimmt werden.
Vorteilhaft kann von der Kontroll- und/oder Steuereinheit ein (a.) minimales und/oder (b.) maximales zulässiges (Gesamt-)Moment für das elektrische Fahrzeug basierend auf den Leistungsgrenzen bestimmt werden. Auch hier sind die oben bezüglich der Ströme eingeführten Vorzeichen zu beachten. Ein Bremsmoment ist definitionsgemäß negativ. Daher ist hier auch das minimale Bremsmoment betragsmäßig maximal. Das maximale Antriebsmoment besitzt definitionsgemäß ein positives Vorzeichen und ist daher auch betragsmäßig maximal.
Vorteilhaft wird zur Bestimmung des limitierten Stroms (Stromgrenze) das invertierte Ersatzmodell gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung verwendet. Dieser kann unter der Annahme vollumfänglicher Ausnutzung der Stromgrenze in das nicht invertierte Ersatzmodell eingesetzt werden, um so die Klemmenspannung zu bestimmen, die sich bei voller Ausnutzung ergeben würde. Aus dieser Klemmenspannung (limitierte Spannung) und dem limitierten Strom wird das Produkt für die Leistungsgleichheit und die damit verbundenen Leistungs und/oder Momentengrenzen bestimmt.
Die Leistungsgrenzen können also mittels der Leistungsgleichheit unter Berücksichtigung der gemessenen Drehzahl eines oder mehrerer Räder oder einer aus Fahrzeuggeschwindigkeit und Sollschlupf modellierten Drehzahl eines gemittelten Rades zur Bestimmung des maximalen oder minimal zulässigen Gesamtmoments für die sollmomentenbildenden Steuer- und Regelverfahren der Fahrdynamik- und Antriebssteuerung und -regelung verwendet werden. Dabei können die tatsächlichen Raddrehzahlen natürlich individuell variieren. Der elektrochemische Speicher wird jedoch üblicherweise für alle Räder verwendet. Bevorzugt wird daher die Fahrzeuggeschwindigkeit verwendet und unter Berücksichtigung von Sollschlupf etc. auf die Drehzahl der Räder umgerechnet.
Das invertierte Ersatzmodell kann auf einem Ersatzschaltkreis basieren.
Das Ersatzmodell kann linear und para etervariant sein. Der Ersatzschaltkreis kann eine Gleichspannungsquelle entsprechend der aktuellen Leerlaufspannung, einen Innenwiderstand und ein oder mehrere RC- Glied/-er aufweisen, die alle in Reihe geschaltet sind.
Der Ersatzschaltkreis kann den Zellstrom als Eingang und die Zellspannung als Ausgang aufweisen.
Das Ersatzmodell (der Zelle der Batterie) kann vorteilhaft folgende Zelleigenschaften berücksichtigen: Leerlaufkennlinie, Innenwiderstand, dynamisches Verhalten, Ladezustand und Zelltemperatur, wobei die beiden letzten den stärksten Einfluss auf die Widerstände und die Kapazität des Ersatzmodells haben. Bei den Zelleigenschaften kann vorteilhaft auch die Alterung der Zelle berücksichtigt werden.
Der Innenwiderstand (Ri) und das oder die RC-Glied/-er (R1C) können auch bezüglich eines Ladevorgangs oder Entladevorgangs variieren.
Vorteilhaft findet eine Nachbildung eines Tiefpassverhaltens von Batteriestrom zu Batteriespannung statt. Das ist vorteilhaft, weil ein Tiefpass sich langsam seinem Endwert nähert. Wenn man diesen Tiefpass invertiert, dann kann anfänglich ein betragsmäßig großer Strom zugelassen werden.
Die aktuelle Leerlaufspannung kann durch Kombination des zellspezifischen Zusammenhangs von Leerlaufspannung zu Ladezustand, offener Integration des Stroms für den Ladezustand und ein Zurücksetzen (Reset) des Wertes auf den aktuellen Spannungswert bestimmt werden, wenn über einen längeren Zeitraum (>500ms) keine Lade- oder Entladestrom vorhanden ist. Zurücksetzen bedeutet hier, dass die Klemmenspannung der Zelle gemessen wird, weil nach einer gewissen Zeit ohne Lade- oder Entladestrom die Klemmenspannung der aktuellen Leerlaufspannung entspricht. Aufwändigere Modellierungs- und Beobachtungsverfahren kommen für die Fälle in Betracht, in denen dauerhaft Ströme fließen.
Es wird ebenfalls ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug bereitgestellt, welches einen elektrochemischen Energiespeicher als Batterie und einen elektrischen Antrieb umfasst, wobei das Fahrzeug eine oder mehrere Kontroll- und/oder Steuereinheiten aufweist, welche zur Durchführung des Verfahrens nach einem der hier genannten Aspekte eingerichtet sind. Die Aspekte der vorliegenden Offenbarung können auch auf stationäre Antriebe angewandt werden.
Die Erfindung stellt auch eine Kontrolleinheit für ein elektrisches Fahrzeug bereit, welche eingerichtet ist, um die Aspekte des Verfahrens umzusetzen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale und Aspekte ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren:
Figur 1 zeigt ein vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild einer Zelle einer Batterie und
Figur 2 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Regelkreises für ein elektrisches Fahrzeug unter Verwendung der vorliegenden Offenbarung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Figur 1 zeigt ein vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild einer Zelle 1 einer Batterie. Die Gleichspannungsquelle UOCV repräsentiert die aktuelle Leerlaufspannung der Zelle und stellt einen Strom l(t) bereit, der durch den Innenwiderstand Ri und anschließend durch das RC-Glied R1C fließt, welches aus einer Parallelschaltung aus einem Widerstand R1 und einer Kapazität C besteht. Am Ausgang der Zelle wird die Klemmenspannung U(t) bereitgestellt. Die Übertragungsfunktion hat im Frequenzbereich die folgende Form (s=jco):
Figure imgf000008_0001
(Gl. 1)
Positive Ströme stehen für ein Entladen der Batterie, während negative Ströme für ein Laden stehen. Die Parameter Ri, R1 und C können für Ladung und Entladung stark abweichen und hängen allgemein vom Ladezustand (State of Charge = SoC) und der Zelltemperatur ab. Die Zelle wird hier als lineares, parametervariantes System modelliert, dessen Parameter durch Tests bestimmt werden. Das dynamische Spannungsverhalten durch die Widerstände R1 und Ri sowie die Kapazität C, kann durch die folgende Übertragungsfunktion beschrieben werden:
Figure imgf000009_0001
Im Allgemeinen ist die aktuelle Leerlaufspannung UOCV eine nichtlineare Funktion der elektrischen Ladung, d.h. des Ladezustands (SoC). Für eine vorgegebene Zelle wird diese Charakteristik durch Tests mit kleinen Ladungs- und Entladungsraten bestimmt. Da eine genaue Messung des aktuellen Stroms einer verwendeten Batterie möglich ist, kann eine Kombination aus Ampere-Stunden- Messung und Rekalibrierung während des Stillstands für die Bestimmung der aktuellen Leerlaufspannung UOCV während des Betriebs verwendet werden. Die Rekalibrierung (oder aus RESET) basiert darauf, dass die Klemmenspannung U(t) der aktuellen Leerlaufspannung UOCV entspricht, wenn kein Strom l(t) fließt. Diese Möglichkeit der Bestimmung der aktuellen Leerlaufspannung gilt sowohl für die Leerlaufspannung jeder Zelle wie auch der gesamten Batterie.
Die Ampere-Stunden-Messung basiert auf der Integration über Entlade- und Ladestrom l(t) und kann durch die folgende Gleichung beschrieben werden:
Figure imgf000009_0002
Hier ist Qbat die ermittelte gespeicherte Ladungsmenge (in Ah) oder auch Batteriekapazität. Der anfängliche Wert SoC(tO) wird durch eine Spannungsmessung während des Stillstands, bei dem kein Strom ab- oder zufließt, bestimmt, wobei diese Messung mit der umgekehrten Beziehung der Leerlaufspannung und des Ladezustands kombiniert wird.
Angesichts der quasi-statischen Leerlaufspannung UOCV und der konstanten Grenzspannung Umax beschreibt die Differenz aus diesen beiden Spannungen die Grenze für die dynamische Überspannung. Die dynamische Überspannung ergibt sich durch den Spannungsabfall über dem RC-Glied R1C. Durch Inversion der Gl. 1 ergibt sich:
Figure imgf000009_0003
Daraus wird für den Fall (a.) des Ladens der minimal (betragsmäßig maximal) zulässige Ladestrom Imin für die Batterie abgeleitet, der erforderlich ist, damit die Batterie nicht ihre maximale Spannungsgrenze Umax überschreitet:
Figure imgf000010_0001
Da die Spannung über einem (idealen) Kondensator C anfänglich Null ist, ist es möglich, größere Ladeströme am Anfang einer Bremsphase zum Laden zu verwenden. Da der Strom über dem Kondensator C (betragsmäßig) exponentiell abnimmt und die Überspannung zunimmt, verringert sich die Ladestromgrenze Imin über die Zeit der Bremsung. Dieser Umstand wird gemäß der vorliegenden Offenbarung vorteilhaft genutzt, also das Ausnutzen von betragsmäßig hohen initialen Ladeströmen.
Batterieanordnungen für elektrisch angetriebene Fahrzeuge setzen sich aus einer großen Anzahl von Zellen zusammen, die seriell und parallel miteinander verschaltet sind. Unter realen Bedingungen können deren Leerlaufspannungen voneinander abweichen. Aus diesem Grund wird hier eine „Worst-Case“- Betrachtung angestellt, welche die Zelle mit der größten Leerlaufspannung UOCV (für die Ladestromgrenze) verwendet, um Imin zu bestimmen. Dies kann vorteilhaft zur Bestimmung eines zulässigen Gesamtladestromes für die gesamte Batterie genutzt werden. Dabei wird davon ausgegangen, dass alle Zellen der Batterie sich so verhalten wie die WORST-CASE Zelle. Insbesondere basieren die Leerlaufspannung UOCV und die Parameter Ri, R1 und C auf der WORST-CASE- Zelle. Imin berechnet sich aus Gl. 5.
Die vorstehende Art der Modellierung mittels einer Worst-Case-Zelle gilt analog für die Entladestromgrenze des Falls (b.). Dabei wir die Zelle mit der kleinsten Leerlaufspannung UOCV (für die Entladestromgrenze) verwendet, um Imax zu bestimmen. Imax ist dabei der maximale Entladestrom (positives Vorzeichen), welcher der Zelle entnommen werden kann. Dies kann vorteilhaft zur Bestimmung eines zulässigen Gesamtentladestroms für die gesamte Batterie genutzt werden. Dabei wird davon ausgegangen, dass alle Zellen der Batterie sich so verhalten wie die WORST-CASE-Zelle. Insbesondere basieren die Leerlaufspannung UOCV und die Parameter Ri, R1 und C auf der WORST-CASE-Zelle. Imax berechnet sich aus Gl. 5, wenn Imin durch Imax und Umax durch Umin ersetzt werden. Der maximal (betragsmäßig maximal) zulässige Entladestrom Imax sorgt dafür, dass die minimale Spannungsgrenze Umin der WORST-CASE-Zelle nicht unterschritten wird. Auch hier wird der Umstand der sich langsam aufbauenden dynamischen Überspannung durch den Spannungsabfall über R1C genutzt, um initial hohe Entladeströme für das Antreiben zuzulassen.
Da die sollmomentenbildenden Steuer- und Regelverfahren der Fahrdynamik- und Antriebssteuerung und Regelung Drehmomentbefehle bereitstellen, ist es notwendig, die Stromgrenzen in Drehmomentbeschränkungen umzuwandeln. Das gelingt durch Gleichsetzen der elektrischen und mechanischen Leistung gemäß der folgenden Gleichung:
Pel = £ Hirnllirn = T_^a^ Jw = Pmech (Ol. b)
Dabei ist Ulim die Klemmenspannung, die sich über die Nachberechnung durch das nicht-invertierte Ersatzmodell ergibt. Bei dieser Berechnung wird zuerst das llirn bestimmt, wie in dieser Offenbarung angegeben. Im Anschluss daran wird dann Ulim bestimmt (nicht durch Messung).
Für den Fall (a.) des Ladens ist llirn das Maximum (bzw. betragsmäßige Minimum) aus der Ladestromgrenze Imin der vorliegenden Offenbarung, die keine harte Grenze darstellt, und der harten absoluten Ladestromgrenze durch das Batteriemanagementsystem Ibmsa (vgl. hierzu auch Fig. 2). Dabei gilt idealerweise lmin>=lbmsa (bzw. betragsmäßig abs(lmin)<=abs(lbmsa).
Für den Fall (b.) des Entladens ist llirn das Minimum (auch betragsmäßig Minimum) aus der Entladestromgrenze Imax der vorliegenden Offenbarung, die keine harte Grenze darstellt, und der harten absoluten Entladestromgrenze durch das Batteriemanagementsystem Ibmsb (vgl. hierzu auch Fig. 2). Dabei gilt idealerweise lmax<=lbmsb.
Tbat ist für den Fall (a.) die sich ergebende Gesamtbremsmomentengrenze und für den Fall (b.) die sich ergebende Gesamtantriebsmomentengrenze (ergibt sich aus Gl. 6 durch auflösen nach Tbat) der Batterie und w die Drehzahl eines gemittelten Rades, wobei diese vorteilhaft aus Fahrzeuggeschwindigkeit und Sollschlupf der Räder (im Fall (a.) Sollbremsschlupf und im Fall (b.) Sollantriebsschlupf) ermittelt wird.
Vorteilhaft kann noch der Wirkungsgrad der Komponenten berücksichtigt werden.
Figur 2 zeigt eine vereinfachte Darstellung der Regelkreise für ein elektrisches Fahrzeug unter Verwendung der vorliegenden Offenbarung.
Wesentlich ist hierbei die Stufe 21 (Grenz-Steuerstufe), in der sich die Übertragungsfunktion des invertierten Batteriemodells befindet, die gemäß der vorliegenden Offenbarung bestimmt wird.
Für den Fall (a.) des Ladens, wird aus der aktuellen Leerlaufspannung UOCV (der Zelle mit der aktuell höchsten Leerlaufspannung) und der maximal zulässigen Zellspannung Umax hierbei ein minimaler (betragsmäßig maximaler) Ladestrom Imin ermittelt.
Für den Fall (b.) des Entladens, wird aus der aktuellen Leerlaufspannung UOCV (der Zelle mit der aktuell niedrigsten Leerlaufspannung) und der minimal zulässigen Zellspannung Umin hierbei ein maximaler (auch betragsmäßig maximaler) Ladestrom Imax ermittelt.
Dieser Strom Imin und/oder Imax wird in Stufe 25 mit einem weiteren Strom Ibmsa und/oder Ibmsb verglichen, der aus dem Batteriemanagementsystem 22 hervorgeht.
Für den Fall (a.) des Ladens (Rekuperation) wird das Maximum (betragsmäßige Minimum) aus den beiden Strömen Imin und Ibmsa gewählt.
Für den Fall (b.) des Entladens (antreibende Momente) wird das Minimum (auch betragsmäßiges Minimum) aus den beiden Strömen Imax und Ibmsb gewählt.
Das herkömmliche Batteriemanagementsystem (BMS) 22 gibt lediglich harte diskrete Werte für den Strom Ibmsa bzw. Ibmsb vor.
Für den Fall (a.) des Ladens gilt: Sobald die Zellspannung U(t) der Zelle mit der höchsten Leerlaufspannung UOCV die maximale Spannung Umax überschreitet, wird dieser Strom vom BMS komplett abgeschaltet (Ibmsa wird betragsmäßig auf Null abgesenkt). Die in Stufe 21 gebildete Stromgrenze Imin soll stattdessen verhindern, dass die Spannung der Zelle die Spannungsgrenze Umax überhaupt überschreitet und somit der diskrete Wert des Stroms aus dem BMS 22 auf Null gesetzt wird.
Für den Fall (b.) des Entladens gilt: Sobald die Zellspannung U(t) der Zelle mit der niedrigsten Leerlaufspannung UOCV die minimale Spannung Umin unterschreitet, wird dieser Strom vom BMS komplett abgeschaltet (Ibmsb wird auf Null abgesenkt). Die in Stufe 21 gebildete Stromgrenze Imax soll stattdessen verhindern, dass die Spannung der Zelle die Spannungsgrenze Umin überhaupt unterschreitet und somit der konstante Wert des Stroms aus dem BMS 22 auf Null gesetzt wird.
Über die oben erläuterte Leistungsgleichheit in Stufe 26 werden die Momentengrenzen Tbat für die sollmomentenbildenden (Msoll) Steuer- und Regelverfahren der Fahrdynamik- und Antriebssteuerung und Regelung 24 ermittelt. Eine Drehzahlermittlung kann anhand der sich durch die Regelstrecke „Aktuator-, Antriebsstrang-, Rad-, Fahrdynamik“ in Stufe 23 ergebenden Fahrzeuggeschwindigkeit vx in Kombination mit Sollschlüpfen der Räder erfolgen. Über die Leistungsgleichheit in Stufe 27 wird der Zusammenhang der mechanischen Leistung aus gestellten Ist-Momenten der elektrischen Antriebe Mist sowie der Drehzahlen und der elektrischen Leistung aus tatsächlich gemessenem Batteriestrom Imess(t) und gemessener Batterieklemmenspannung Umess(t) angedeutet.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Betreiben eines mittels eines elektrochemischen Speichers elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, wobei der elektrochemische Speicher als Batterie mit einer Mehrzahl von Zellen ausgestaltet ist und das Verfahren mindestens einen der folgenden Schritte umfasst: a. Verwenden eines invertierten dynamischen Ersatzmodells einer Zelle zur Bestimmung eines minimalen Ladestroms als Funktion der Spannungsdifferenz aus aktueller
Leerlaufspannung (UOCV) der Zelle und maximal zulässiger Zellspannung (Umax), b. Verwenden eines invertierten dynamischen Ersatzmodells einer Zelle zur Bestimmung eines maximalen Entladestroms als Funktion der Spannungsdifferenz aus aktueller
Leerlaufspannung (UOCV) der Zelle und minimal zulässiger Zellspannung (Umin).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei aus einer Mehrzahl von Zellen einer Batterie die Zelle zur Bildung des invertierten Ersatzmodells verwendet wird, welche im Fall (a.) die höchste Leerlaufspannung oder im Fall (b.) die niedrigste Leerlaufspannung aufweist und die Leerlaufspannung, der Innenwiderstand und das dynamische Verhalten dieser Zelle allen Zellen der Batterie bei der Berechnung einer Gesamtstromgrenze zugrundegelegt wird.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend:
Bestimmen einer im Fall (a.) minimalen und/oder im Fall (b.) maximalen
Leistungsgrenze des elektro-chemischen Speichers unter Verwendung des invertierten Ersatzmodells.
4. Verfahren nach Anspruch 3, umfassend: Bestimmen eines im Fall (a.) minimal und/oder im Fall (b.) maximal zulässigen (Gesamt-)Moments für das elektrische Fahrzeug basierend auf den Leistungsgrenzen.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das
Ersatzmodell auf einem Ersatzschaltkreis basiert und wobei der Ersatzschaltkreis eine Gleichspannungsquelle (UOCV), einen Innenwiderstand (Ri) und ein oder mehrere RC-Glied/-er (R1C) aufweist, die in Reihe geschaltet sind.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Ersatzschaltkreis den Batteriestrom als Eingang und die Batteriespannung als Ausgang aufweist, wobei der Ersatzschaltkreis ein lineares, parametervariantes System darstellt und der Innenwiderstand (Ri) und das oder die RC-Glied/-er (R1C) dabei sowohl vom Ladezustand als auch der Zelltemperatur der Zelle abhängen, wobei die Gleichspannungsquelle (UOCV) die aktuelle Leerlaufspannung der Zelle ist.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ersatzmodell der Zelle der Batterie folgende Zelleigenschaften berücksichtigt:
Leerlaufkennlinie, Innenwiderstand, dynamisches Verhalten.
8. Elektrisch angetriebenes Fahrzeug umfassend einen elektrochemischen Energiespeicher als Batterie und einen elektrischen Antrieb, wobei das Fahrzeug eine oder mehrere Kontroll- und/oder Steuereinheiten aufweist, welche zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 eingerichtet sind.
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