DE102010062187A1

DE102010062187A1 - Verfahren zur Ermittlung der Leerlaufspannung einer Batterie, Batterie mit einem Modul zur Ermittlung der Leerlaufspannung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer entsprechenden Batterie

Info

Publication number: DE102010062187A1
Application number: DE102010062187A
Authority: DE
Inventors: Andre Boehm; Stefan Wickert
Original assignee: SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2012-05-31
Also published as: CN103314303A; WO2012072434A1; CN103314303B; US20130314042A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Leerlaufspannung (Open Circuit Voltage – OCV) einer Batterie, eine Batterie mit einem Modul zur Ermittlung der Leerlaufspannung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer entsprechenden Batterie, welche insbesondere einsetzbar sind, um die alterungsabhängige Leerlaufspannung von in einem Fahrzeug verbauten Batteriepacks zu ermitteln.
Hierfür wird vorgeschlagen, die Leerlaufspannung während des Ladevorgangs der Batterie (110) zu bestimmen.
Ferner werden eine Batterie (110) mit einem Modul zur Ermittlung der Leerlaufspannung einer Batterie (110) und ein Fahrzeug mit einer solchen Batterie (110) vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Leerlaufspannung (Open Circuit Voltage – OCV) einer Batterie, eine Batterie mit einem Modul zur Ermittlung der Leerlaufspannung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer entsprechenden Batterie, welche insbesondere einsetzbar sind, um die alterungsabhängige Leerlaufspannung von in einem Fahrzeug verbauten Batteriepacks zu ermitteln.
Stand der Technik
In Hybrid- und Elektrofahrzeugen werden Batterien bzw. Batteriepacks in Lithium-Ionen- oder Nickel-Metallhydrid-Technologie eingesetzt, die aus einer großen Anzahl in Serie geschalteter elektrochemischer Zellen bestehen.
Zur Überwachung der Batterie ist ein Batteriemanagementsystem (BMS) vorgesehen, das neben einer Sicherheitsüberwachung eine möglichst hohe Lebensdauer gewährleisten soll.
Dazu wird die Spannung jeder einzelnen Zelle zusammen mit dem Batteriestrom und der Batterietemperatur durch das Batteriemanagementsystem gemessen und eine Zustandsschätzung hinsichtlich des Ladezustands (State of Charge – SOC) und des Alterungszustandes (State of Health – SOH) vorgenommen.
Dies geschieht nach dem Stand der Technik, wie beispielsweise in der DE 10 2008 041 300 A1 , mit Hilfe einer regelungstechnischen Beobachterstruktur, die das reale System Batterie durch ein Modell beobachtet und durch Adaption der Modellparameter den Zustand des realen Systems ermittelt. Kern dieser Beobachterstruktur ist ein Modell einer elektrochemischen Zelle. Hierbei wird die Batteriespannung aus den Summanden Leerlaufspannung und dem Spannungsabfall an der komplexen Impedanz der Zelle berechnet. Neben einem hochwertigen Modell für die Zellimpedanz ist dabei die genaue Kenntnis der Leerlaufspannung notwendig. Diese kann für den verbauten Zelltyp vorab im Labor punktuell ermittelt werden, wobei anhand dieser Werte eine Tabelle gebildet wird, die die Abhängigkeit der Leerlaufspannung vom Ladezustand beschreibt, so dass der Ladezustand bestimmt werden kann. Diese so genannte OCV-Tabelle wird also zuvor im Labor ermittelt.
Aufgrund von Alterung kann es aber dazu kommen, dass die Leerlaufspannung sich strukturell ändert, wenn beispielsweise Anode und Kathode der Zelle unterschiedlich stark altern. Daher ist es nicht möglich, mittels des Batteriemanagementsystems eines Fahrzeuges verlässlich die sich ändernde Leerlaufspannung im realen System zu erfassen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Ermittlung der Leerlaufspannung einer Batterie bereitgestellt, bei dem im Rahmen des Verfahrens in einfacher Weise die alterungsabhängige Leerlaufspannung der im Fahrzeug verbauten Batterie bzw. eine Kennlinie der Leerlaufspannung (OCV-Kennlinie) bestimmt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass die Leerlaufspannung während des Ladevorgangs der Batterie bestimmt wird. Im Gegensatz zum Stand der Technik, wo die Leerlaufspannung über die Lebensdauer der Batterie als konstant angesehen wird, sieht die Erfindung vor, die sich ändernde Leerlaufspannung während des Betriebs der Batterie im Fahrzeug zu bestimmen.
Als vorteilhaft erweist es sich, wenn die in einem Batteriemanagementsystem abgelegte Kennlinie der Leerlaufspannung in Abhängigkeit der während des Ladevorgangs bestimmten Leerlaufspannung adaptiert wird. Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass auch die im Batteriemanagementsystem abgelegte OCV-Tabelle in Abhängigkeit der während des Ladevorgangs bestimmten Leerlaufspannung neu bestimmt wird. Dadurch können vorteilhaft eventuell vorhandene Modellfehler korrigiert werden.
Bei der Batterie handelt es sich um zumindest eine elektrochemische Zelle, vorzugsweise jedoch eine Batterie mit einer Vielzahl von elektrochemischen Zellen, wobei die elektrochemischen Zellen in Serie geschaltet sind. Vorzugsweise handelt es sich bei der Batterie um eine Lithium-Ionen-Batterie.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zellspannung und der Spannungsabfall an der Impedanz von zumindest einem Teil der elektrochemischen Zellen, vorzugsweise aber von allen elektrochemischen Zellen, ermittelt wird. Indem der Spannungsabfall von der Zellspannung subtrahiert wird, wird die Leerlaufspannung bestimmt.
Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn bei der Bestimmung der Leerlaufspannung ein in einem Batteriemanagementsystem genutztes Zellmodell verwendet wird. Durch das Batteriemanagementsystem werden unter anderem Temperatur, Zellstrom, Ladezustand oder dergleichen erfasst oder ermittelt. Mit Hilfe der so erfassten bzw. ermittelten Werte wird der Spannungsabfall an der Impedanz von zumindest einem Teil der elektrochemischen Zellen, vorzugsweise aber von allen elektrochemischen Zellen, durch das Zellmodell berechnet. Die Leerlaufspannung wird dann durch Subtraktion des Spannungsabfalls von der gemessenen Zellspannung bestimmt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine kontinuierliche Ladung erfolgt, das heißt, dass während des Ladevorgangs die Ladeleistung und/oder der Ladestrom konstant gehalten werden.
Eine alternative bevorzugte Ausführungsform sieht vor, die Ladung mit sich veränderndem Ladestrom durchzuführen. Als vorteilhaft erweist es sich, wenn sich der Ladestrom kontinuierlich ändert. Das hat insbesondere den Vorteil, dass dabei die Impedanz besonders exakt bestimmt werden kann. Dabei erweist es sich weiter als vorteilhaft, wenn niedrige Ladeströme genutzt werden, da dann der Spannungsabfall an der Impedanz gering ist.
Alternativ kann vorgesehen sein, die Leerlaufspannung bei nicht-kontinuierlicher Ladung zu bestimmen.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Veränderungen der OCV-Kennlinie einer Filterung unterworfen wird. Durch diesen Filteralgorithmus werden z. B. Störungen bei der Spannungsmessung eliminiert, so dass z. B. kurzzeitige Störungen keinen negativen Einfluss auf die Bestimmung der Leerlaufspannung haben.
Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn zur Bestimmung der Leerlaufspannung der gesamte Ladezustandsbereich der Batterie durchlaufen wird, das heißt, wenn die Leelaufspannung beim Laden von der leeren Batterie bis zur voll geladenen Batterie bestimmt wird. Eine Bestimmung der Leerlaufspannung nur bei Auswertung eines Teilzyklus des Ladevorgangs ist allerdings auch durchführbar. Die OCV-Kennlinie wird dann unter Verwendung geeigneter Filter adaptiert.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Batterie mit einem Modul zur Ermittlung der Leerlaufspannung einer Batterie, wobei das Modul derart eingerichtet ist, dass ein Verfahren zur Ermittlung der Leerlaufspannung einer Batterie ausführbar ist, wobei die Leerlaufspannung während des Ladevorgangs der Batterie bestimmt wird. Vorzugsweise handelt es sich bei der Batterie um eine Lithium-Ionen-Batterie oder die Batterie umfasst elektrochemische Zellen, die als Lithium-Ionen-Batteriezellen ausgebildet sind.
Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren Batterie gemäß dem im voranstehenden Absatz beschriebenen Erfindungsaspekt.
Die Batterie ist jedoch nicht auf einen solchen Einsatzzweck eingeschränkt, sondern kann auch in anderen elektrischen Systemen eingesetzt werden.
Durch die Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt zur Ermittlung der Leerlaufspannung während der Ladung des Batteriepacks für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhafterweise auch eine alternde Batterie exakt in ihren Leistungs- und Verhaltensparametern beobachtet werden
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhafterweise eine verlässliche Bestimmung der OCV im Fahrzeug erfolgen, wodurch sich eine erhöhte Präzision bei der Bestimmung der alterungsabhängigen Leistungsdaten ergibt.
Weitere Vorteile sind eine verbesserte Lebensdauervorhersage, eine exaktere Bestimmung des Ladezustandes, eine präzise Bestimmung der real verfügbaren gealterten Kapazität, ein geringer Rechenaufwand und Ressourcenbedarf sowie eine extreme Wirtschaftlichkeit, da kein zusätzlich Aufwand an Hardware besteht.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer regelungstechnischen Beobachterstruktur zur Zustandsschätzung einer Batterie nach dem Stand der Technik,
2 eine schematische Darstellung eines Zellmodells nach dem Stand der Technik, und
3 eine erfindungsgemäß aufgezeichnete Ladungskurve und eine OCV-Kennlinie.
Ausführungsformen der Erfindung
Zur Überwachung der Batterie ist ein Batteriemanagementsystem vorgesehen, das mit Hilfe einer regelungstechnischen Beobachterstruktur 100 die Batterie 110 durch ein Zellmodell 120 beobachtet und durch Adaption der Modellparameter den Zustand des realen Systems ermittelt.
In 1 ist eine solche Beobachterstruktur 100 veranschaulicht. Durch die Beobachterstruktur 100 wird das reale System Batterie 110 durch ein Zellmodell 120 beobachtet und durch Adaption der Modellparameter der Zustand des realen Systems nachgeführt. Kern des in der Beobachterstruktur 100 eingesetzten Beobachters 130 ist ein Zellmodell 120, welches prinzipiell die in 2 dargestellte Struktur aufweist.
In einer beispielhaften Ausführungsform eines solchen Beobachters 130 wird zur Schätzung des Ladezustands 180 und zur Überwachung des Alterungszustands 190 das reale System Batterie 110 durch ein Zellmodell 120 beobachtet, wobei der Batteriestrom I_Batt 140, die Batterietemperatur T_Batt 150, die Batteriespannung U_Batt 160 und eine durch das Zellmodell 120 ermittelte Modellspannung U_Mod 170 ausgewertet werden. Durch Adaption der Modellparameter wird der Zustand des realen Systems nachgeführt. Kern des in der Beobachterstruktur 100 eingesetzten Beobachters 130 ist ein Zellmodell 120, welches prinzipiell die in 2 dargestellte Struktur aufweist. Das Zellmodell 120 schätzt die Ruhespannung U_OCV 220 unter Last. Dazu wird der Batteriestrom I_Batt 140 ausgewertet und zusätzlich der Spannungsabfall U_imp 230 an der Batterieimpedanz von der gemessenen Zellspannung U_Batt 160 abgezogen, um zur internen Spannung U_i zu gelangen, welche bei einem idealen Zellmodell 120 der Ruhespannung U_OCV 220 entspricht. Aus der so ermittelten Ruhespannung U_OCV 220 wird mit Hilfe einer OCV-Tabelle der aktuelle Ladezustand SOC_OCV 180 geschätzt.
Elektrofahrzeuge sowie so genannte Plug-In-Hybride werden durch externe oder interne Ladegeräte an einer Steckdose aufgeladen, um im nächsten Fahrzyklus die notwendige elektrische Energie bereitstellen zu können.
Dabei wird in der Regel mit konstanter Ladeleistung oder konstantem Ladestrom eine kontinuierliche Ladung vorgenommen. Das wird durch die Erfindung ausgenutzt. In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird mit Hilfe des in 2 veranschaulichten Zellmodells 120, welches in einem Batteriemanagementsystem bereits nach dem Stand der Technik zur Verfügung steht, der Spannungsabfall U_imp 230 über der Zellimpedanz ermittelt.
Da Temperatur T_Batt 150, Zellstrom I_Batt 140 und Ladezustand SOC_OCV 180 der Zelle bereits durch das Batteriemanagementsystem erfasst bzw. ermittelt werden, kann der Spannungsabfall U_imp 230 an der Zellimpedanz durch das Zellmodell 120 berechnet und von der gemessenen Zellspannung U_Batt 160 subtrahiert werden. Dadurch kann direkt während der Ladung die OCV-Kennlinie 300 aufgezeichnet werden (vgl. 3). Die während der Ladung gewonnene OCV-Kennlinie 300 wird zur Adaption der im Batteriemanagementsystem abgelegten und genutzten OCV-Kennlinie genutzt. Darüber hinaus kann auch die OCV-Tabelle des Batteriemanagementsystems mit Hilfe der während der Ladung gewonnenen OCV-Kennlinie 300 neu berechnet werden. Die OCV-Tabelle wird somit in diesem Ausführungsbeispiel während des Betriebs im Fahrzeug vermessen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die OCV-Tabelle somit unter Berücksichtigung eventueller Fehler des Zellmodells 120 neu ermittelt.
Bei stetigem, sich langsam ändernden Ladestrom ist die Impedanzbestimmung vorteilhaft und mit hoher Präzision möglich. Niedrige Ladeströme – und damit lange Ladezeiten – sind hierbei ebenfalls vorteilhaft, da der Spannungsabfall U_imp 230 über der Impedanz in diesem Fall gering ist. Lange Ladezeiten werden aufgrund der geringen Leistungsabgabe von Haushaltssteckdosen der Regelfall sein, so dass diese Vorteile beim Einsatz der Erfindung in einer Vielzahl von Anwendungen zum Tragen kommen.
Es ist allerdings daneben ebenso gut möglich, die OCV-Kennlinie 300 bei einer nicht-kontinuierlichen Ladung zu adaptieren.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, einen Algorithmus zur Filterung der Veränderung der OCV-Kennlinie 300 anzuwenden. Mit Hilfe dieses Algorithmus werden beispielsweise kurzzeitige Störungen der Spannungsmessung eliminiert, so dass sich diese Störungen nicht negativ auf die Bestimmung der OCV-Kennlinie 300 auswirken.
Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn der gesamte Ladezustandsbereich – ausgehend von einer leeren Batterie – durchfahren wird. Durch geeignete Filterung ist es aber auch ohne weiteres möglich, nur Teilzyklen des Ladevorgangs zur Adaption des jeweiligen Bereichs der OCV-Kennlinie 300 zu nutzen.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführungsform nicht auf die vorstehend. angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Batterie und dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008041300 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Ermittlung der Leerlaufspannung einer Batterie (110), dadurch gekennzeichnet, dass die Leerlaufspannung während des Ladevorgangs der Batterie (110) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Batterie (110) mindestens eine elektrochemische Zelle umfasst und der Spannungsabfall (230) an der Impedanz zumindest eines Teils der elektrochemischen Zellen ermittelt und zur Ermittlung der Leerlaufspannung der Spannungsabfall (230) von der Zellspannung (160) subtrahiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zur Ermittlung des Spannungsabfalls (230) ein Zellmodell eines Batteriemanagementsystems genutzt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei in Abhängigkeit der bestimmten Leerlaufspannung die in dem Batteriemanagementsystem genutzte Kennlinie der Leerlaufspannung und/oder eine OCV-Tabelle adaptiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei während des Ladevorgangs der Ladestrom konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei sich der Ladestrom während des Ladevorgangs ändert.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei Störungen der Messung des Spannungsabfalls (230) und/oder der Zellspannung (160) herausgefiltert werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Bestimmung der Leerlaufspannung über den gesamten Ladezustandsbereich der Batterie (110) erfolgt.
Batterie (110) mit einem Modul zur Ermittlung der Leerlaufspannung einer Batterie (110), wobei das Modul derart eingerichtet ist, dass ein Verfahren zur Ermittlung der Leerlaufspannung einer Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 ausführbar ist.
Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren Batterie (110) gemäß Anspruch 9.