DE102009054547B4

DE102009054547B4 - Ermittlung des Innenwiderstands einer Batteriezelle einer Traktionsbatterie

Info

Publication number: DE102009054547B4
Application number: DE102009054547.6A
Authority: DE
Inventors: Holger Fink
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2019-06-13
Anticipated expiration: 2029-12-12
Also published as: DE102009054547A1; BR112012014072A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Innenwiderstands einer Batteriezelle (1a) einer Batterie (1), insbesondere einer Traktionsbatterie, wobei der Innenwiderstand der Batteriezelle (1a) abhängig von einer Spannungsänderung der Batteriezelle (1a) bei einem Lade- und/oder Entladevorgang bestimmt wird, das dadurch gekennzeichnet ist, dass bei der Bestimmung des Innenwiderstands (Ri) weiter eine zu vor und nach einem Lade- und/oder Entladevorgang bestehenden Ladezuständen der Batteriezelle korrespondierende Ruhespannungsänderung (ΔOCV) der Batteriezelle berücksichtigt wird. Erfindungsgemäß sind eine erste Tabelle (3), die eine Ruhespannung der Batteriezelle (1a) abhängig von dem Ladezustand der Batteriezelle (1a) speichert, und eine erste Auswerteeinheit (4) vorgesehen, die eine Ruhespannungsänderung (ΔOCV) der Batteriezelle anhand von vor und nach einem Lade- und/oder Entladevorgang bestehenden Ladezuständen der Batteriezelle (1a) und einer oder mehrerer Abfragen der ersten Tabelle (3) bestimmt und der Recheneinheit (6) zur Berücksichtigung bei der Bestimmung des Innenwiderstands (Ri) bereitstellt.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Innenwiderstands einer Batteriezelle einer Batterie, insbesondere einer Traktionsbatterie, gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 5.
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, z.B. bei Windkraftanlagen, als auch in Fahrzeugen z.B. in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden. In der vorliegenden Beschreibung werden die Begriffe Batterie und Batteriesystem, dem üblichen Sprachgebrauch angepasst, für Akkumulator bzw. Akkumulatorsystem verwendet.
Der prinzipielle funktionale Aufbau eines Batteriesystems gemäß dem Stand der Technik ist in 3 dargestellt. Um die geforderten Leistungs- und Energiedaten mit dem Batteriesystem zu erzielen, werden in einer Batteriezelle 1 einzelne Batteriezellen 1a in Serie und teilweise zusätzlich parallel geschaltet. Zwischen den Batteriezellen 1a und den Polen des Batteriesystems befindet sich eine sogenannte Safety&Fuse-Einheit 16, welche z.B. das Zu- und Abschalten der Batterie 1 an externe Systeme und die Absicherung des Batteriesystems gegen unzulässig hohe Ströme und Spannungen übernimmt sowie Sicherheitsfunktionen bereitstellt wie z.B. das einpolige Abtrennen der Batteriezellen 1a von den Batteriesystempolen bei Öffnen des Batteriegehäuses. Eine weitere Funktionseinheit bildet das Batteriemanagement 17, welches neben der Batteriezustandserkennung 17a auch die Kommunikation mit anderen Systemen sowie das Thermomanagement der Batterie 1 durchführt.
Die in 3 dargestellte Funktionseinheit Batteriezustandserkennung 17a hat die Aufgabe, den aktuellen Zustand der Batterie 1 zu bestimmen sowie das künftige Verhalten der Batterie 1 vorherzusagen, z.B. eine Lebensdauervorhersage und/oder eine Reichweitenvorhersage. Die Vorhersage des künftigen Verhaltens wird auch als Prädiktion bezeichnet. Der prinzipielle Aufbau einer modellbasierten Batteriezustandserkennung ist in 4 dargestellt. Die dargestellte modellbasierte Batteriezustandserkennung und -prädiktion basiert auf einer Auswertung der elektrischen Größen Batteriestrom und -spannung sowie der Temperatur der Batterie 1 mittels eines Beobachters 17b und eines Batteriemodells 17c in bekannter Weise. Die Batteriezustandserkennung kann für einzelne Zellen 1a einer Batterie 1 erfolgen, wobei dies dann auf Basis der entsprechenden Zellspannung, des Zellstroms sowie der Zelltemperatur erfolgt. Weiter kann die Batteriezustandserkennung auch für die gesamte Batterie 1 erfolgen. Dies erfolgt dann - je nach Anspruch an die Genauigkeit - entweder durch Auswertung der Zustände der einzelnen Zellen 1a der Batterie 1 und einer darauf basierenden Aggregation für die gesamte Batterie 1 oder direkt durch Auswertung der gesamten Batteriespannung, des Batteriestroms und der Batterietemperatur. Allen Verfahren gemäß Stand der Technik ist dabei gemein, dass die im normalen Betrieb der Batterie 1 auftretenden Strom-, Spannungsund Temperaturverläufe für die Ermittlung des Batteriezustands sowie für die Prädiktion des künftigen Verhaltens herangezogen werden.
Eine wesentliche Information für die Ermittlung des aktuellen Batteriezustands und für die Prädiktion des künftigen Verhaltens der Batterie 1 ist der Innenwiderstand der Batteriezellen 1a. Stand der Technik für die Ermittlung ist ein Verfahren, welches auch in der VDA-Initiative „Energy Storage System for HEV“ sowie im Entwurf der ISO 12405 beschrieben ist. Das Grundprinzip dieses Verfahrens ist in 5 dargestellt. Bei dem Verfahren werden Spannungsänderungen während eines pulsförmigen Lade- und Entladestroms ausgewertet. Der Innenwiderstand der Batteriezellen 1a wird dabei direkt aus den Spannungs- und Stromdifferenzen zweier betrachteter Zeitpunkte ermittelt (in 5 sind die Messzeitpunkte nummeriert, die Indizes der im Folgenden angegebenen Spannungs- und Stromwerte beziehen sich auf diese Messzeitpunkte). Als Beispiel ergibt sich der Innenwiderstand für eine 10 Sekunden dauernde Entladung durch Auswertung der Spannungsund Stromwerte zu den Zeitpunkten 0 (t=0s) und 2 (t=10s) zu $R_{i_10 s, d c h} = \frac{U_{2} - U_{0}}{I_{2}}$
Der Innenwiderstand für einen 10 Sekunden andauernden Ladevorgang kann entsprechend durch Auswertung der Spannungs- und Stromwerte zu den Zeitpunkten 5 (t=58s) und 7 (t=68s) gemäß $R_{i_10 s, d c h} = \frac{U_{7} - U_{5}}{I_{7}}$
berechnet werden. Alle derzeit zum Einsatz kommenden Verfahren für die Ermittlung des Innenwiderstands der Batteriezellen 1a bei Batteriesystemen 10 für den Einsatz in Hybrid- und Elektrofahrzeugen haben gemeinsam, dass die Berechnung auf Basis lediglich auf den zu zwei Zeitpunkten auftretenden Spannungs- und Stromdifferenzen beruht. Als weiterer Stand der Technik wird auf die DE 102 05 120 A1 verwiesen, die von der Ermittlung des Innenwiderstands einer Batterie handelt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein verbessertes Verfahren für die Ermittlung des Innenwiderstands der Einzelzellen eines Batteriesystems vorzustellen, mit dem die Batteriezustandserkennung und -prädiktion gegenüber dem heutigen Stand der Technik robuster und genauer realisiert werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 weisen demgegenüber den Vorteil auf, dass sie zur Bestimmung des Innenwiderstands von Batteriezellen ohne oder mit lediglich geringem zusätzlichen elektronischen Schaltungsaufwand zum Einsatz kommen können. Dieses Verfahren und diese Vorrichtung haben gegenüber dem heutigen Stand der Technik den Vorteil, dass bei der Bestimmung des Innenwiderstands die Änderung der Ruhespannung der Batteriezellen - welche bei Lade- und Entladevorgängen auftritt - berücksichtigt wird. Dadurch wird eine im Hinblick auf die Beschreibung der in den Batteriezellen auftretenden Verluste (Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie) genaue Bestimmung des Innenwiderstands möglich.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Besonders bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren, dass zur Berücksichtigung der Ruhespannungsänderung der Batteriezelle die durch den Lade- und/oder Entladevorgang hervorgerufene Ruhespannungsänderung von der durch den Lade- und/oder Entladevorgang hervorgerufenen Spannungsänderung subtrahiert wird und die erhaltene Differenz zur Bestimmung des Innenwiderstands verwendet wird. Demzufolge ist die erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit zur Berücksichtigung der Ruhespannungsänderung der Batteriezelle die durch den Lade- und/oder Entladevorgang hervorgerufene Ruhespannungsänderung von der durch den Lade- und/oder Entladevorgang hervorgerufenen Spannungsänderung subtrahiert und die erhaltene Differenz zur Bestimmung des Innenwiderstands verwendet.
Weiter umfasst das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt, dass der Innenwiderstand als Quotient der erhaltenen Differenz und der Stromflussänderung während des Lade- und/oder Entladevorgangs bestimmt wird. In der korrespondierenden bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt diese Berechnung in der Recheneinheit.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst alternativ oder zusätzlich bevorzugt den Schritt der Ermittlung einer alterungsabhängigen Erhöhung des Innenwiderstands der Batteriezelle anhand einer bekannten Abhängigkeit des Innenwiderstands von einer während der Bestimmung des Innenwiderstands bestehenden Zellentemperatur und einem während der Bestimmung des Innenwiderstands bestehenden Ladezustand der Batteriezelle. Die korrespondierende bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst hierfür bevorzugt eine zweite Tabelle, die eine Abhängigkeit des Innenwiderstands von einer während der Bestimmung des Innenwiderstands bestehenden Zellentemperatur und einem während der Bestimmung des Innenwiderstands bestehenden Ladezustand der Batteriezelle speichert, und eine zweite Auswerteeinheit, die eine alterungsabhängige Erhöhung des Innenwiderstands der Batteriezelle anhand des ermittelten Innenwiderstands und einer Abfrage der Tabelle bestimmt.
Alternativ zu der ersten und/oder zweiten Tabelle und der ersten und/oder zweiten Auswerteeinheit kann eine jeweils eine oder insgesamt eine zusätzliche Recheneinheit vorgesehen sein, die die Abhängigkeit der Ruhespannung von dem Ladezustand und/oder die Abhängigkeit des Innenwiderstands von der während der Bestimmung des Innenwiderstands bestehenden Zellentemperatur und dem während der Bestimmung des Innenwiderstands bestehenden Ladezustand der Batteriezelle anhand einer oder mehrerer mathematischer Gleichung(en) wiedergibt. Diese zusätzliche(n) Recheneinheit(en) können auch in die Recheneinheit integriert werden.
Figurenliste
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

1 ein Prinzipschaltbild einer ersten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung des Innenwiderstands einer Batteriezelle,
2 die typische Abhängigkeit der Ruhespannung einer Li-lonen-Batteriezelle von deren Ladezustand,
3 einen funktionalen Aufbau eines Batteriesystems gemäß dem Stand der Technik,
4 ein Prinzipschaltbild einer modellbasierten Batteriezustandserkennung und -prädiktion nach dem Stand der Technik, und
5 das Grundprinzip der Ermittlung des Innenwiderstands gemäß ISO 12405.

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im Detail beschrieben.
In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt.
Diese umfasst eine Mess- oder Abfrageeinheit 5, die die zur Bestimmung des Innenwiderstands der Batteriezellen 1a erforderlichen Größen direkt oder über das Batteriemanagement 17 bestimmt und an eine Recheneinheit 6 übergibt, die den Innenwiderstand errechnet. Hierzu ist die Recheneinheit 6 weiter mit einer ersten Auswerteeinheit 4, die mit einer ersten Tabelle 3 verbunden ist, und einer zweiten Auswerteeinheit 8, die mit einer zweiten Tabelle verbunden ist, verbunden. Die Funktionalitäten der ersten Auswerteeinheit 4, der zweiten Auswerteeinheit 8 sowie der ersten Tabelle 3 und der zweiten Tabelle 7 werden im Folgenden näher erläutert.
In 2 ist die typische Abhängigkeit der Ruhespannung einer Li-Ionen-Batteriezelle 1a von deren Ladezustand dargestellt (als Beispiel wurde ein 6Ah-Zelle herangezogen). Für den in 5 dargestellten Entladepuls (zwischen t=0s und t=18s) wird der Batteriezelle 1a eine Ladung entnommen, welche einer Ladezustandsänderung ΔSOC von 10% entspricht. Aus der Ruhespannungskennlinie der Batteriezelle geht hervor, dass diese Ladezustandsänderung mit einer Änderung der Ruhespannung, die sich - je nach Anfangswert des Ladezustands - im Bereich von 100mV bis 280mV bewegt. Diese Änderung der Ruhespannung wird bei einer Berechnung der Innenwiderstände gemäß den heute gängigen Verfahren nicht berücksichtigt. Dadurch ergibt sich für das geschilderte Beispiel der 6Ah-Zelle ein Innenwiderstand der um den Wert $Δ R_{i_18 s, d c h} = \frac{Δ O C V}{I_{2 o C}} = \frac{100 m V \dots 280 m V}{120 A} = 0,83 m Ω \dots 2,33 m Ω$
höher ist, als bei Abzug der Spannungsänderung. Der erfindungsgemäß berechnete Innenwiderstand der Batteriezelle 1a, der sich bei Abzug der Ruhespannungsänderung für die beispielhaft betrachtete Zelle ergibt, beträgt 2,2mΩ. Der Fehler bei den heute gängigen Verfahren kann somit bis zu mehr als 100% betragen.
Die Berücksichtigung des Einflusses der Ruhespannungsänderung wird bei der Innenwiderstandsermittlung erfindungsgemäß gemäß der folgenden Formel durchgeführt: $R_{i} = \frac{Δ U - Δ O C V}{Δ I}$
Zur Ermittlung der Ladezustandsänderung muss lediglich die Ladungsbilanz zwischen den beiden für die Innenwiderstandermittlung herangezogenen Zeitpunkte berechnet werden sowie ausgehend vom Ladezustand - den die Batterie zum ersten der beiden betrachteten Zeitpunkte aufweist - die Änderung der Ruhespannung gemäß der Ruhespannungskennlinie in 2 ermittelt werden. Dies geschieht durch die erste Auswerteeinheit 4, die auf die erste Tabelle 3 zugreift, in der die Ruhespannungskennlinie gemäß 2 abgelegt ist. Die geschilderte Vorgehensweise kann sowohl für Entlade- als auch für Ladepulse eingesetzt werden. Damit steht erfindungsgemäß eine einfache Methode bereit, mit welcher der für die Verluste in den Batteriezellen 1 a verantwortliche Innenwiderstand wesentlich genauer bestimmt werden kann, als mit den bisher eingesetzten Verfahren.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich natürlich nicht nur für die Bestimmung des Innenwiderstands über definierte Entlade- und Ladepulse. Das Verfahren kann für eine Innenwiderstandsbestimmung bei den im normalen Fahrbetrieb von Hybrid- und Elektrofahrzeugen auftretenden Entlade- und Ladpulsen eingesetzt werden.
Bei bekannter Abhängigkeit des Innenwiderstands von der Zelltemperatur und dem Ladezustand der Zelle, kann die alterungsabhängig Erhöhung des Innenwiderstands der Batteriezelle ermittelt werden. Hierzu ist die Recheneinheit 6 mit einer zweiten Auswerteeinheit 8 verbunden, die die alterungsabhängige Erhöhung des Innenwiderstands der Batteriezelle 1a (n) anhand des ermittelten Innenwiderstands und eine Abfrage einer zweiten Tabelle 7 bestimmt, die die Abhängigkeit des Innenwiderstands von der während der Bestimmung des Innenwiderstands bestehenden Zelltemperatur und einem während der Bestimmung des Innenwiderstands bestehenden Ladezustand der Batteriezelle 1a speichert.
Alternativ zur Abfrage der ersten und/oder zweiten Tabelle kann eine weitere Recheneinheit angefragt werden, die die Abhängigkeit des Innenwiderstands von der Zelltemperatur und des Ladezustands anhand mathematischer Gleichungen abbildet.
Das vorgestellte erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Innenwiderstands kann z.B. auch bei abgestelltem Fahrzeug durchgeführt werden. Dadurch wird die Bestimmung des Innenwiderstands nicht durch den überlagerten „Normalbetrieb“ der Batterie 1 negativ beeinflusst. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil gegenüber den bisher bekannten Verfahren dar.
Neben der obigen schriftlichen Offenbarung wird hier ausdrücklich auf die Offenbarung in den Figuren verwiesen.

Claims

Verfahren zur Ermittlung des Innenwiderstands (Ri) einer Batteriezelle (1a) einer Batterie (1), insbesondere einer Traktionsbatterie, wobei der Innenwiderstand der Batteriezelle (1a) abhängig von einer Spannungsänderung der Batteriezelle (1a) bei einem Lade- und/oder Entladevorgang bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung des Innenwiderstands (Ri) weiter eine zu vor und nach einem Lade- und/oder Entladevorgang bestehenden Ladezuständen der Batteriezelle korrespondierende Ruhespannungsänderung (ΔOCV) der Batteriezelle berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berücksichtigung der Ruhespannungsänderung (ΔOCV) der Batteriezelle die durch den Lade- und/oder Entladevorgang hervorgerufene Ruhespannungsänderung (ΔOCV) von der durch den Lade- und/oder Entladevorgang hervorgerufenen Spannungsänderung (ΔU) subtrahiert wird und die erhaltene Differenz zur Bestimmung des Innenwiderstands (Ri) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenwiderstand (Ri) als Quotient der erhaltenen Differenz und der Stromflussänderung (ΔI) während des Lade- und/oder Entladevorgangs bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch den Schritt der Ermittlung einer alterungsabhängigen Erhöhung des Innenwiderstands (Ri) der Batteriezelle (1a) anhand einer bekannten Abhängigkeit des Innenwiderstands (Ri) von einer während der Bestimmung des Innenwiderstands (Ri) bestehenden Zellentemperatur und einem während der Bestimmung des Innenwiderstands (Ri) bestehenden Ladezustand der Batteriezelle (1a).
Vorrichtung zur Ermittlung des Innenwiderstands (Ri) einer Batteriezelle (1a) einer Batterie (1), insbesondere einer Traktionsbatterie, mit einer Recheneinheit (6) zum Berechnen des Innenwiderstands (Ri) der Batteriezelle (1a) abhängig von einer Spannungsänderung der Batteriezelle bei einem Lade- und/oder Entladevorgang, gekennzeichnet durch - eine erste Tabelle (3), die eine Ruhespannung der Batteriezelle (1a) abhängig von dem Ladezustand der Batteriezelle (1a) speichert, und - eine erste Auswerteeinheit (4), die eine Ruhespannungsänderung (ΔOCV) der Batteriezelle anhand von vor und nach einem Lade- und/oder Entladevorgang bestehenden Ladezuständen der Batteriezelle (1a) und einer oder mehrerer Abfragen der ersten Tabelle (3) bestimmt und der Recheneinheit (6) zur Berücksichtigung bei der Bestimmung des Innenwiderstands (Ri) bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (6) zur Berücksichtigung der Ruhespannungsänderung (ΔOCV) der Batteriezelle (1a) die durch den Lade- und/oder Entladevorgang hervorgerufene Ruhespannungsänderung (ΔOCV) von der durch den Lade- und/oder Entladevorgang hervorgerufenen Spannungsänderung (ΔU) subtrahiert und die erhaltene Differenz zur Bestimmung des Innenwiderstands (Ri) verwendet.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (6) den Innenwiderstand (Ri) als Quotienten der erhaltenen Differenz und der Stromflussänderung (ΔI) während des Lade- und/oder Entladevorgangs bestimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch - eine zweite Tabelle (7), die eine Abhängigkeit des Innenwiderstands (Ri) von einer während der Bestimmung des Innenwiderstands (Ri) bestehenden Zellentemperatur und einem während der Bestimmung des Innenwiderstands (Ri) bestehenden Ladezustand der Batteriezelle (1a) speichert, und - eine zweite Auswerteeinheit (8), die eine alterungsabhängige Erhöhung des Innenwiderstands (Ri) der Batteriezelle (1a) anhand des ermittelten Innenwiderstands (Ri) und einer Abfrage der zweiten Tabelle (7) bestimmt und der Recheneinheit (6) bereitstellt.