DE102006033629B4

DE102006033629B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen des Zustands einer Batterie

Info

Publication number: DE102006033629B4
Application number: DE102006033629.1A
Authority: DE
Inventors: Richard Aumayer; Eberhard Schoch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-07-20
Filing date: 2006-07-20
Publication date: 2017-10-26
Anticipated expiration: 2026-07-21
Also published as: DE102006033629A1

Abstract

Verfahren zum Bestimmen des Zustands (Ri, SOC, SOH) einer Batterie (1) mit mehreren Zellen (1a–1n) oder Zellengruppen (2a, 2b), bei dem die Batterie (1) kurzfristig belastet und die Spannungsantwort (U(t)) einzelner Zellen (1a–1n) oder Zellengruppen (2a, 2b) ausgewertet wird, um somit den Zustand (Ri, SOC, SOH) der Zellen (1a–1n) oder Zellengruppen (2a, 2b) zu bestimmen, wobei – eine Klassifizierungsprozedur (Schritte 10–12) durchgeführt wird, bei der die Zellen (1a–1n) oder -Gruppen bzw. -Gruppen abhängig von ihrem Zustand (Ri, SOC, SOH) klassifiziert werden, und – danach eine sequentielle Diagnoseprozedur (Schritte 13–16) durchgeführt wird, bei der sich die Reihenfolge der Auswertung der Zellen (1a–1n) oder -Gruppen (2a, 2b) nach deren Klassifizierung richtet.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Zustands einer Batterie gemäß Patentanspruch 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung gemäß Patentanspruch 7.
Bekannte Fahrzeugbatterien, wie z. B. NiMH-Batterien, Li-Ionen-Batterien oder DLC-Batterien (DLC: Doppelschichtkondensator), bestehen aus mehreren in Reihe geschalteten Einzelzellen, die jeweils eine Teilspannung von wenigen Volt, z. B. 2 V, erzeugen. Die Anzahl der Zellen bestimmt dabei die Nennspannung der Batterie, die z. B. 12 V oder 42 V, bei Hybrid-Fahrzeugen auch 500 V betragen kann.
Aufgrund fertigungstechnischer Toleranzen oder thermischer Einflüsse ist der Ladezustand SOC (State of Charge) oder die Leistungsfähigkeit SOH (State of Health) bzw. der Innenwiderstand Ri der einzelnen Zellen üblicherweise unterschiedlich hoch. Dies beeinträchtigt die Leistungsfähigkeit der Batterie erheblich, da diejenige Zelle mit dem geringsten Ladezustand und diejenige Zelle mit dem höchsten Ladezustand für das Auf- bzw. Entladen der Batterie limitierend wirken. D. h., die Batterie kann nicht weiter aufgeladen werden, als bis die vollste Zelle voll aufgeladen ist, und nicht weiter entladen werden, als bis die Ladung der leersten Zelle verbraucht ist. Die Abweichung der einzelnen Zellen voneinander nimmt in der Regel mit zunehmender Lebensdauer bzw. Belastung der Batterie zu. Um eine zuverlässige Energieversorgung eines elektrischen Netzes zu gewährleisten, ist es notwendig, die einzelnen Zellen oder Zellengruppen der Batterie zu überwachen.
Hierzu ist es z. B. bekannt, die Batterie mit einem kurzen Stromimpuls (in Lade- oder Entladerichtung) zu belasten und die Spannungsantwort der einzelnen Zellen oder einzelner Zellengruppen auszuwerten. Zu diesem Zweck werden so genannte Batterie-Zustandserkennungseinrichtungen (BZE) eingesetzt, die im Grunde ein Steuergerät mit einem darin hinterlegten Algorithmus (mathematisches Modell) umfassen, der aus gemessenen Batterie-Betriebsgrößen, wie z. B. dem Batteriestrom, der Batteriespannung und der Batterietemperatur den aktuellen Batteriezustand (Ri, SOC oder SOH) berechnet.
Die Auswertung der Spannungsantworten der einzelnen Zellen kann entweder parallel oder sequentiell erfolgen. Die parallele Auswertung ist relativ aufwendig und rechenintensiv, da insbesondere bei Hybridbatterien, die 100 und mehr Zellen umfassen können, entsprechend viele Messwerte gleichzeitig verarbeitet werden müssen. Die sequentielle Auswertung hat dagegen den Nachteil, dass zwar die Diagnose der zuerst (nach dem Stromimpuls) ausgewerteten Zellen noch relativ genau ist, die Diagnose der zuletzt ausgewerteten Zellen jedoch nur noch ungenügend mit dem tatsächlichen Zustand der Zellen korrespondiert, da die Zellenspannung in der Zeitdauer zwischen Belastung und Spannungsmessung bereits durch andere Einflüsse verändert wird. Der Zustand der Batterie kann somit nur relativ ungenau bestimmt werden. In der Druckschrift GB 2 328 288 A sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Zustandsbestimmung und Klassifikation von Batterien beschrieben, wobei ein Profil eines Antwortsignals der Batterie auf ein Testsignal analysiert und zur Klassifikation eingesetzt wird.
In der Druckschrift US 2004/0 155 626 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Zustandsbestimmung und mechanischen Sortierung einer Batterie beschrieben, wobei die mechanische Sortierung auf Basis des Ergebnisses der Zustandsbestimmung erfolgt. Dabei verfügt die Vorrichtung über ein Förderband, welches die Batterie einem Batterietestgerät zuführt, wo die Bestimmung des elektrischen Zustands der Batterie erfolgt.
Die Druckschrift GB 1 454 358 A beschreibt ein Verfahren zur Zustandsbestimmung einer Blei-Säure-Batterie, wobei die Blei-Säure-Batterie bei einem Entladevorgang als in gutem Zustand klassifiziert wird, wenn eine Spannungsdifferenz von Start- und Batteriespannung nach einer vordefinierten Zeitspanne einen Spannungsdifferenzreferenzwert unterschreitet. Andernfalls wird ein Ladevorgang durchgeführt und ein Ladestrom in die Batterie mit einem Stromreferenzwert verglichen, wobei bei einem Unterschreiten des Stromreferenzwertes die Batterie als in defektem Zustand klassifiziert wird.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Diagnose von Batterien zu schaffen, das besonders genau ist und mit geringem Verarbeitungsaufwand durchgeführt werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 7 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, zunächst eine Klassifizierung der Zellen vorzunehmen, bei der die Zellen bzw. -Gruppen gemäß ihres Ladezustands oder ihrer Leistungsfähigkeit klassifiziert werden, und danach eine sequentielle Diagnose durchzuführen, bei der die Reihenfolge der Auswertung durch die Klassifikation bestimmt wird. Der Ladezustand bzw. die Leistungsfähigkeit bestimmt also die Reihenfolge der Auswertung und nicht die physische Anordnung der Zellen bzw. -Gruppen. Zellen bzw. Zellengruppen, deren Zustand schlecht oder sogar „kritisch” ist, werden vorzugsweise unmittelbar nach der Strombelastung, und solche, deren Zustand unbedenklich ist, zu einem späteren Zeitpunkt ausgewertet. Die Genauigkeit der Auswertung gerade von schwächeren Zellen bzw. Zellengruppen kann somit erheblich verbessert und dadurch die Zuverlässigkeit der Energieversorgung erhöht werden.
In der Klassifizierungsprozedur wird die Batterie vorzugsweise mit einem Stromimpuls belastet und die einzelnen Zellen bzw. Zellengruppen (im Folgenden nur noch „Zellen”) dann abhängig von ihrer Spannungsantwort in verschiedene Klassen, z. B. A, B und C eingeteilt. Die Klassifizierung kann sequentiell oder parallel durchgeführt werden.
In der späteren Diagnoseprozedur können die einzelnen Zellen, abhängig von Ihrer Klassifikation, auch häufiger oder weniger häufig ausgewertet werden. D. h., nach einer Strombelastung ist es nicht unbedingt erforderlich, sämtliche Zellen auszuwerten. Vielmehr ist es ausreichend, stärkere Zellen z. B. nur jedes n-te Mal auszuwerten. Schwächere Zellen bzw. Zellengruppen werden vorzugsweise häufiger ausgewertet. Dadurch kann der Rechenaufwand weiter verringert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Zellen in der Diagnoseprozedur sequentiell ausgewertet. Eine (teilweise) parallele Auswertung ist jedoch ebenfalls denkbar.
Die Klassifizierung der Zellen wird vorzugsweise in bestimmten zeitlichen Abständen neu vorgenommen. Dadurch kann auf Veränderungen einzelner Zellen im Laufe der Betriebsdauer der Batterie eingegangen werden.
Die Anzahl der Klassen kann beispielsweise 3 sein, wie z. B. „starke Zellen”, „mittelstarke Zellen” und „schwache Zellen” oder Zellengruppen. Alternativ können natürlich auch mehr oder weniger Klassen eingeführt werden. Im Extremfall könnten die Zellen bzw. -Gruppe auch in der Reihenfolge ihres aktuellen Zustands sortiert werden. Je Zelle bzw. -Gruppe bildet dann quasi eine eigene „Klasse” mit nur einem Element.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Überprüfen einer Batterie; und
2 die wesentlichen Verfahrensschritte eines Verfahrens zum Überwachen einer Fahrzeugbatterie.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Anordnung zum Überwachen einer Fahrzeugbatterie 1 in Bezug auf den Ladezustand (SOC), die Leistungsfähigkeit (SOH) oder den Innenwiderstand (R_i). Die Fahrzeugbatterie 1 umfasst eine Vielzahl in Serie geschalteter Zeilen 1a–1n, die jeweils eine Teilspannung von einigen Volt, z. B. 2 V liefern. Bei der Batterie 1 handelt es sich im vorliegenden Beispiel um eine Li-Ionen-Batterie eines Hybrid-Fahrzeugs, die mehr als 100 Zellen 1a–1n aufweist und eine Spannung im Bereich von mehreren 100 V bereitstellt.
Die Einzelzellen 1a–1n sind über zugehörige Anschlüsse 6a–6o jeweils separat ansprechbar. Mehrere Zellen 1a–1n können auch in Gruppen 2a, 2b zusammengefasst sein. Eine Elektronik 4, die jeweils mit den einzelnen Zellen 1a–1n bzw. Gruppen 2a, b verbunden ist, dient zur Auswertung der Zellen bzw. Gruppen. Die Elektronik 4, z. B. ein Steuergerät, umfasst zu diesem Zweck einen Auswertealgorithmus 5, der aus verschiedenen Batterie-Zustandsgrößen, insbesondere dem Batteriestrom I, der Zellenspannung und der Temperatur, den Innenwiderstand Ri; den Ladezustand (SOC) und/oder die Leistungsfähigkeit (SOH) der Zellen 1a–1n bzw. -Gruppen 2a, b berechnet. Der Batteriestrom I wird mittels eines Stromsensors 3 gemessen und über einen entsprechenden Eingang I dem Steuergerät 4 zugeführt.
Um den Zustand der Batterie zu ermitteln, wird ein zweistufiges Verfahren durchgeführt, bei dem die Zellen 1a–1n bzw. -Gruppen 2a, 2b zunächst entsprechend ihrer Leistungsfähigkeit klassifiziert, und danach eine sequentielle Diagnose durchgeführt wird, bei der die Zellen 1a–1n bzw. -Gruppen 2a, 2b abhängig von ihrer Klassifikation früher oder später nach der Belastung ausgewertet werden. Das genaue Verfahren wird im Folgenden anhand von 2 näher erläutert.
2 zeigt die wesentlichen Verfahrensschritte eines Verfahrens zum Überwachen einer Batterie 1 mit mehreren Zellen 1a–1n, die separat ansprechbar sind.
In der Klassifizierungsprozedur (Schritte 10–12) wird die Batterie 1 zunächst mit einem Stromimpuls (in Entlade- oder Laderichtung) belastet und die Spannungsantwort der Zellen 1a–1n oder -Gruppen 2a, b ausgewertet, um den Innenwiderstand Ri, den Ladezustand (SOC) oder die Leistungsfähigkeit (SOH) zu bestimmen. Die Klassifizierung kann sequentiell oder (teilweise) parallel erfolgen (Schritt 12).
Je nach Reaktion der Zellen 1a–1n bzw. Zellengruppen 2a, 2b werden die Zellen 1a–1n bzw. Gruppen 2a, 2b dann in Schritt 12 in verschiedene Klassen, z. B. A, B und C klassifiziert. Wahlweise könnten natürlich auch mehr oder weniger Klassen eingerichtet werden. Die Klasse A umfasst beispielsweise Zellen 1a–1n mit hohem Ladezustand, die Klasse B, Zellen mit einem mittleren Ladezustand und die Klasse C Zellen mit einem geringen Ladezustand. Letztere sind für die Leistungsfähigkeit der Batterie 1 ausschlaggebend und müssen daher besonders genau beobachtet werden.
In der folgenden Diagnoseprozedur (Schritte 13–16), werden die Zellen 1a–1n bzw. -Gruppen 2a, 2b dann sequentiell, abhängig von ihrer Klassifizierung, ausgewertet. Hierzu wird die Batterie in Schritt 13 zunächst wiederum mit einem Stromimpuls ΔI belastet und danach in Schritt 14 zunächst die schwächeren Zellen 1a–1n bzw. Zellengruppen 2a, 2b aus Klasse C, danach die in Klasse B und dann die in Klasse A enthaltenen Zellen bzw. Zellengruppen 2a, 2b ausgewertet.
In einem Diagnosezyklus müssen nicht unbedingt alle Zellen 1a–1n bzw. Zellengruppen 2a, 2b überprüft werden. Wahlweise könnten z. B. solche Zellen 1a–1n bzw. Zellengruppen 2a, 2b, die relativ stark und somit eher unkritisch sind, auch nur in jedem n-ten Zyklus überprüft werden. Dadurch kann weitere Rechenleistung eingespart werden.
Die Klassifizierung der Zellen 1a–1n kann in bestimmten zeitlichen Abständen wiederholt werden. Dadurch kann die Klassifizierung an einen möglicherweise veränderten Zustand angepasst werden.

Claims

Verfahren zum Bestimmen des Zustands (Ri, SOC, SOH) einer Batterie (1) mit mehreren Zellen (1a–1n) oder Zellengruppen (2a, 2b), bei dem die Batterie (1) kurzfristig belastet und die Spannungsantwort (U(t)) einzelner Zellen (1a–1n) oder Zellengruppen (2a, 2b) ausgewertet wird, um somit den Zustand (Ri, SOC, SOH) der Zellen (1a–1n) oder Zellengruppen (2a, 2b) zu bestimmen, wobei – eine Klassifizierungsprozedur (Schritte 10–12) durchgeführt wird, bei der die Zellen (1a–1n) oder -Gruppen bzw. -Gruppen abhängig von ihrem Zustand (Ri, SOC, SOH) klassifiziert werden, und – danach eine sequentielle Diagnoseprozedur (Schritte 13–16) durchgeführt wird, bei der sich die Reihenfolge der Auswertung der Zellen (1a–1n) oder -Gruppen (2a, 2b) nach deren Klassifizierung richtet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Diagnoseprozedur (Schritte 13–16) die Zellen (1a–1n) oder -Gruppen (2a, 2b) mit einem schlechteren Zustand (Ri, SOC, SOH) früher als solche mit einem besseren Zustand (Ri, SOC, SOH) ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (1a–1n) oder -Gruppen (2a, 2b) abhängig von ihrer Klassifizierung häufiger oder weniger häufig ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (1a–1n) oder -Gruppen (2a, 2b) in der Diagnoseprozedur (Schritte 13–16) sequentiell ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (1a–1n) oder -Gruppen (2a, 2b) in bestimmten zeitlichen Abständen neu klassifiziert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (1a–1n) oder -Gruppen (2a, 2b) in wenigstens drei verschiedene Klassen (A, B, C) klassifiziert werden.
Vorrichtung (4) zum Bestimmen des Zustands (Ri, SOC, SOH) einer Batterie (1) mit mehreren Zellen (1a–1n) oder Zellengruppen (2a, 2b), wobei Mittel (5) zum Durchführen eines der vorstehend beschriebenen Verfahren vorgesehen sind.