DE102010038017B4

DE102010038017B4 - Verfahren zur Bestimmung des maximal möglichen Stromflusses einer Batterie durch ein Steuergerät sowie Steuergerät

Info

Publication number: DE102010038017B4
Application number: DE102010038017.2A
Authority: DE
Inventors: Mirco Küpper
Original assignee: FEV Europe GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2010-10-06
Filing date: 2010-10-06
Publication date: 2019-03-14
Anticipated expiration: 2030-10-07
Also published as: DE102010038017A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des maximal möglichen Stromflusses (I_{_max}) einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, für einen definierten Zeitraum (Δt) durch ein Steuergerät (1) während des Betriebes der Batterie sowie ein Steuergerät (1) zur Bestimmung des maximal möglichen Stromflusses (I_{_max}) einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, für einen definierten Zeitraum (Δt) während des Betriebes der Batterie.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des maximal möglichen Stromflusses einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, für einen definierten Zeitraum durch ein Steuergerät während des Betriebes der Batterie. Ferner betrifft die Erfindung ein Steuergerät zur Bestimmung des maximal möglichen Stromflusses einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, für einen definierten Zeitraum während des Betriebes der Batterie.
Batterien werden für vielfältige Anwendungen eingesetzt und gewinnen immer mehr an Bedeutung. Beispielsweise werden in der Automobilindustrie Batterien in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen eingesetzt. Hierbei werden insbesondere Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt, da Lithium-Ionen-Zellen eine hohe Leistungsdichte und aufgrund einer hohen Nennspannung eine hohe Energiedichte aufweisen. Ferner sind Lithium-Ionen-Batterien durch eine Zyklenfestigkeit, eine große Langlebigkeit sowie eine geringe Selbstentladung gekennzeichnet.
Die Leistungsabgabe und -aufnahme von Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, ist unter anderem durch die maximal zulässige Temperatur der Batterie begrenzt. Dies gilt im besonderen Maße für Hochleistungsbatterien in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, insbesondere bei Beschleunigungen sowie Dauer- oder Bremsbetrieb mit Regeneration.
Die Spitzentemperaturen werden in der Regel im Inneren der Batterie erreicht und sind der Messung beziehungsweise der Überwachung im Allgemeinen nicht zugänglich. Nur mittels eines physikalischen oder mathematischen Modells der Batterie, ist es im Betrieb der Batterie möglich, Überwachungswerte für Innentemperaturen online durch Simulation zu ermitteln. Hierzu ist es erforderlich, in einem Steuergerät ein geeignetes Modell für die Leistungs- und Wärmeentwicklung im Inneren der Batterie zu hinterlegen. Dieses Modell kann ein physikalisches Modell auf Basis von Differenzialgleichungen, ein mathematisches Ersatzmodel oder im einfachsten Falle ein Kennfeld sein. Derartige auf einem Steuergerät ablaufende Modelle sind häufig sehr komplex und abstrakt. Das heißt, derartige Modelle die das Verhalten technischer Systeme, wie Batterien, berechnen, sind mit geeigneten Systemparametem zu bedaten, welche in teils sehr aufwändigen Vorabmessungen bestimmt werden müssen. Dies ist nur unter hohem zeitlichen und kostenintensiven Aufwand möglich. Verändernde Systemeigenschaften über die Lebensdauer des Systems, insbesondere der Batterie, können in einem solchen Parametersatz nicht berücksichtigt werden. Als Stand der Technik wird auf die US 2005/0110498 A1 verwiesen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren sowie ein Steuergerät zur Bestimmung des maximal möglichen Stromflusses einer Batterie für einen bestimmten Zeitraum während des Betriebes der Batterie zu schaffen, die die zuvor beschriebenen Nachteile vermeiden. Insbesondere soll ein derartiges Verfahren und ein derartiges Steuergerät geschaffen werden, die Prozessmodelle verwenden, die mit einem einfachen Vorabbedatungsaufwand auskommen und möglichst wenig Prozessmodellparameter erfordern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 sowie durch ein Steuergerät gemäß Patentanspruch 5 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Dabei gelten Merkmale und Details die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Steuergerät und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise genommen werden kann.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Bestimmung des maximal möglichen Stromflusses einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, für einen definierten Zeitraum durch ein Steuergerät während des Betriebes der Batterie gelöst. Das Verfahren ist durch folgende von dem Steuergerät durchgeführte Verfahrensschritte gekennzeichnet:

a) Messen des Stromverbrauchs der Batterie durch eine Sensorik zu einem ersten Zeitpunkt und einem zweiten Zeitpunkt und Bestimmen der Erwärmung der Batterie zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt anhand der gemessenen Stromflüsse,
b) Berechnen der Erwärmung der Batterie zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt durch ein auf dem Steuergerät ablaufendes ersten Prozessmodell bei wenigstens einem vorgegebenen Prozessmodellparameter, wobei das erste Prozessmodell über Ansteuersignale für eine Aktuatorik und Sensorsignale der Sensorik des Steuergerätes angesteuert wird und das Verhalten der Batterie unter der Nutzung der Steuergeräteausgangszustände abbildet,
c) Vergleichen der bestimmten Erwärmung der Batterie mit der berechneten Erwärmung der Batterie und Ermitteln eines Temperaturerwärmung-Istwertes durch Bildung der Differenz zwischen der bestimmten Erwärmung der Batterie und der berechneten Erwärmung der Batterie,
d) Vergleichen des ermittelten Temperaturerwärmung-Istwertes mit einem Temperatur-Sollwert, wobei der Temperatur-Sollwert vorzugsweise den Wert Null aufweist oder eine Temperaturdifferenz innerhalb eines vorgegebenen Temperaturdifferenzbereiches darstellt,
e) bei Feststellung einer Differenz zwischen dem Temperaturerwärmung-Istwert und dem Temperatur-Sollwert adaptiert ein Adaptionsregler des Steuergerätes automatisch den wenigstens einen vorgegebenen Prozessmodellparameter und leitet diesen wenigstens einen adaptierten Prozessmodellparameter erneut dem ersten Prozessmodell sowie einem zweiten invertierten Prozessmodell, welches parallel zu dem ersten Prozessmodell auf dem Steuergerät abläuft, zu,
f) Berechnen des maximal möglichen Stromflusses für einen definierten Zeitraum durch das zweite invertierte Prozessmodell anhand des wenigstens einen adaptierten Prozessmodellparameters und einer vorgegebenen Höchsttemperatur der Batterie, die nicht überschritten werden darf.

Besonders bevorzugt erfolgt eine erneute Durchführung der Verfahrensschritte a) bis f) mit dem durch den Adaptionsregler des Steuergerätes adaptierten wenigstens einen Prozessmodelparameter solange der Temperaturerwärmung-Istwert vom Temperatur-Sollwert abweicht.
Ein derartiges Verfahren ermöglicht die Bestimmung des maximal möglichen Stromflusses einer Batterie für einen definierten Zeitraum während des Betriebs der Batterie mit einem sehr einfachen Vorabbedatungsaufwand beziehungsweise wenigen Prozessmodellparametern. Insbesondere ist durch das Verfahren ermöglicht, über die Lebensdauer der Batterie driftende beziehungsweise veränderte Batterieeigenschaften zu erkennen, zu adaptieren und bei der Bestimmung des maximal möglichen Stromflusses der Batterie zu berücksichtigen. Durch das Verfahren ist eine sich auf verändernde Batterieeigenschaften anpassende Vorhersage des Batteriezustandes möglich. Das Verfahren ermöglicht die Adaption der Prozessmodelle beziehungsweise die Kalibrierung des wenigstens einen Prozessmodellparameters anhand von wenigen Messwerten, die an zugänglicher Stelle der Batterie gemessen werden und im ersten Prozessmodell ebenfalls als Ergebnis vorliegen. Durch den Vergleich der gemessenen beziehungsweise ermittelten Erwärmung der Batterie über zwei Zeitpunkte mit einer über den gleichen Zeitraum durch das Prozessmodell berechneten Erwärmung der Batterie können die Prozessmodelle angepasst werden. Dabei werden als Prozessmodellparameter physikalische Modellparameter und/oder Funktionskoeffizienten und/oder Kennfeldwerte durch den Adaptionsregler adaptiert.
In einem ersten Schritt misst eine Sensorik des Steuergerätes den Stromfluss der Batterie beziehungsweise durch die Batterie zu einem ersten Zeitpunkt und zu einem zweiten, späteren Zeitpunkt. Anschließend bestimmt das Steuergerät die Erwärmung der Batterie zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt anhand der gemessenen Stromflüsse und der Zeit Ein auf dem Steuergerät ablaufendes erstes Prozessmodell berechnet zusätzlich die Erwärmung der Batterie zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt. Die Berechnung durch das erste Prozessmodell erfolgt aufgrund wenigstens eines vorgegebenen Prozessmodellparameters. Auf dem Steuergerät liegen nunmehr zwei Werte für die Erwärmung der Batterie zwischen zwei Zeitpunkten vor. In einer Vergleichseinheit des Steuergerätes wird die aufgrund der Messung des Stromflusses ermittelte Erwärmung der Batterie mit der durch das erste Prozessmodell berechneten Erwärmung der Batterie verglichen. Die Differenz zwischen der bestimmten Erwärmung der Batterie und der berechneten Erwärmung der Batterie ist der sogenannte Temperaturerwärmung-Istwert. Im Idealfall ist die Differenz zwischen der bestimmten Erwärmung der Batterie und der berechneten Erwärmung der Batterie gleich Null, das heißt, das erste Prozessmodell würde im Idealfall exakt die durch die Sensorik ermittelte Temperaturerwärmung zwischen zwei Zeitpunkten bei einer bestimmten Aktorikansteuerung liefern. Im Normalfall weicht die bestimmte Erwärmung der Batterie von der durch das erste Prozessmodell berechneten Erwärmung der Batterie ab. Der Temperaturerwärmung-Istwert wird einem Regelungskreislauf zugeführt. Das heißt, der Temperaturerwärmung-Istwert wird mit dem Temperatur-Sollwert, der den Wert Null aufweist, verglichen. Solange der Temperaturerwärmung-Istwert nicht Null ist, adaptiert der Adaptionsregler des Steuergerätes automatisch den wenigstens einen Prozessmodelparameter und leitet diesen erneut dem ersten Prozessmodell zu. Ferner leitet der Adaptionsregler des Steuergerätes den adaptierten wenigstens einen Prozessmodellparameter einem zweiten invertierten Prozessmodell, welches ebenfalls auf dem Steuergerät abläuft, zu. Dieses zweite invertierte Prozessmodell berechnet den maximal möglichen Stromfluss für einen definierten Zeitraum anhand des von dem Adaptionsregler adaptierten wenigstens einen Prozessmodellparameters sowie einer vorgegebenen Höchsttemperatur der Batterie, die diese nicht überschreiten darf. Es ist auch denkbar, dass der Temperatur-Sollwert eine Temperatur innerhalb eines vorgegebenen Temperaturdifferenzbereiches darstellt. In diesem Fall wird der Temperaturerwärmung-Istwert mit dem Temperatur-Sollwert, der einen von Null abweichenden Wert aufweist, verglichen. Dabei liegen die Werte des Temperaturdifferenzbereiches in der Regel knapp unter 0°C bis knapp über 0°C, beispielsweise in einem Toleranzband von -1°C bis +1°C. Solange der Temperaturerwärmung-Istwert nicht in diesem Temperaturdifferenzbereich ist, adaptiert der Adaptionsregler des Steuergerätes automatisch den wenigstens einen Prozessmodelparameter und leitet diesen erneut dem ersten Prozessmodell zu. Durch die Vorgabe des Temperatur-Sollwertes kann dem Prozessmodell ein bestimmtes Verhalten verliehen werden. Ein negativer Temperatur-Sollwert sorgt für ein tendenzielles „zu hoch“-Schätzen des Prozessmodells, ein positiver Sollwert für ein tendenzielles „zu niedrig“-Schätzen. Für die Bestimmung des maximal möglichen Stromflusses der Batterie und damit die Leistungsvorhersage bedeutet dies ein „konservatives“ bzw. „optimistisches“ Schätzverhalten. Durch den Temperaturdifferenzbereich beziehungsweise das Toleranzband kann ein Bereich für den Temperatur-Sollwert beziehungsweise eine Abweichungstoleranz zwischen dem Temperaturerwärmung-Istwert und dem Temperatur-Sollwert definiert werden, unterhalb der kein Adaptionsvorgang durchgeführt wird bzw. nicht erforderlich ist. Dies spart Berechnungskapazitäten auf dem Steuergerät.
Der Adaptionsregler der Steuereinheit adaptiert den wenigstens einen Prozessmodellparameter solange, bis die aufgrund der Messung des Stromflusses der Batterie zu zwei verschiedenen Zeitpunkten bestimmte Erwärmung der Batterie der durch das erste Prozessmodell berechneten Erwärmung der Batterie entspricht. Durch die ständige Regelung beziehungsweise Adaption des wenigstens einen Prozessmodellparameters kann eine Echtzeit-Vorausberechnung des maximal möglichen Stromflusses für einen definierten Zeitraum durch das zweite invertierte Prozessmodell erfolgen. Hierdurch lässt sich jederzeit eine aktuelle Aussage über den Zustand der Batterie, insbesondere der Lithium-Ionen-Batterie, tätigen. Dies ermöglicht, dass eine Überhitzung der Batterie, das heißt eine Überschreitung einer kritischen Innentemperatur der Zellen der Batterie, rechtzeitig verhindert werden kann.
Das Verfahren ermöglicht die Nutzung eines invertierten zweiten Prozessmodells zur Vorausbestimmung der erlaubten elektrischen Ströme bei einer Batterie in Anbetracht der Temperatur im Inneren der Batterie. Die Nutzung des invertierten zweiten Prozessmodells gewährleistet eine erhöhte Rechengeschwindigkeit während des Betriebes der Batterie. Anstatt, wie bei bekannten Verfahren, jedes Mal mittels einer Iteration den maximal möglichen Stromfluss zu ermitteln, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren einmal offline das invertierte zweite Prozessmodell mathematisch gebildet, beispielsweise durch eine invertierte Übertragungsmatrix, dieses wird in die Regelung einbezogen und dann online während des Betriebes der Batterie benutzt.
Das in der Regelschleife adaptierte erste Prozessmodell wird durch den Adaptionsregler so abgeglichen, dass es aus einem bestimmten Stromfluss für eine bestimmte Zeit das Aufheizverhalten der Batterie sehr genau abbildet. Nach jedem Aufheizvorgang, das heißt jedem Strompuls für eine bestimmte Zeit, wird die Erwärmung der Batterie gemessen, mit dem berechneten Wert des ersten Prozessmodells verglichen und die Abweichung in der Regelschleife zur Adaption des wenigstens einen Prozessmodellparameters verwendet.
Dieses erste Prozessmodell wird auf dem Steuergerät parallel in seiner invertierten Form zur Bestimmung des maximal möglichen Stromflusses für eine bestimmte Zeit t verwendet. Das zweite invertierte Prozessmodell berechnet den maximal möglichen Strom, der für eine bestimmte Zeit bei bekannter Temperaturerwärmung, woraus sich die maximale Temperaturerwärmung ergibt, bei nicht zu überschreitender Maximaltemperatur fließen darf, ohne diese Maximaltemperatur zu überschreiten. In Elektro- und Hybridfahrzeugen kann diese Information zur thermischen Leistungsvorhersage der dort verwendeten Hochleistungsbatterie genutzt werden. Das inverse zweite Prozessmodell greift dabei auf den durch die Regelschleife adaptierten Prozessmodellparametersatz zurück, wodurch dieser direkten Einfluss auf die Genauigkeit der Leistungsvorhersage hat. Das zweite invertierte Prozessmodell weist daher die Eigenschaft der eindeutigen Invertierbarkeit nach dem maximalen Stromfluss auf. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist keine iterative Rechnung des maximal zulässigen Stroms erforderlich, sondern der maximal zulässige Stromfluss kann in einem einzigen Rechenschritt auf dem Steuergerät berechnet werden. Dies spart Zeit, Kosten sowie Steuergeräteressourcen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei dem Verfahren vorgesehen sein, dass als Prozessmodellparameter ein Wärmeeintragsparameter, auch als Wärmekoeffizient bezeichnet, vorgegeben und adaptiert wird, wobei der Wärmeeintragsparameter angibt, mit welcher Systemantwort die Zellen der Batterie beziehungsweise die Zellentemperaturen auf eine Strombelastung reagieren. Das heißt, der Wärmeeintragsparameter gibt das Übertragungsverhalten beziehungsweise die Empfindlichkeit der Zellen der Batterie an.
Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei dem Verfahren vorgesehen sein, dass bei Feststellung einer Differenz zwischen dem Temperaturerwärmung-Istwert und dem Temperatur-Sollwert der Adaptionsregler des Steuergerätes automatisch den wenigstens einen vorgegebenen Prozessmodellparameter adaptiert und diesen wenigstens einen adaptierten Prozessmodellparameter erneut dem ersten Prozessmodell sowie dem zweiten invertierten Prozessmodell zuleitet. Nach der Weiterleitung des wenigstens einen adaptierten Prozessmodellparameters, insbesondere des Wärmeeintragsparameters, zu dem ersten Prozessmodell, führt das Steuergerät die Verfahrensschritte a) bis f) gemäß Patentanspruch 1 erneut durch. Das heißt, das Steuergerät beziehungsweise eine Sensorik des Steuergerätes misst erneut den Stromfluss der Batterie zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten und bestimmt die Erwärmung der Batterie von dem ersten zu dem zweiten Zeitpunkt anhand der gemessenen Stromflüsse und der Zeitdifferenz. Parallel dazu berechnet das erste Prozessmodell des Steuergerätes die Erwärmung der Batterie zwischen den gleichen Zeitpunkten. Ein erneuter Vergleich der durch Messung des Stromflusses bestimmten Erwärmung der Batterie mit der durch das erste Prozessmodell berechneten Erwärmung der Batterie ergibt einen erneuten Temperaturerwärmung-Istwert, der in dem Regelkreis mit dem Temperatur-Sollwert, der den Wert Null aufweist, erneut verglichen wird. Vorzugsweise führt der Adaptionsregler, der insbesondere als PID-Regler oder als I-Glied mit Tiefpasseigenschaften ausgebildet ist, diesen Vergleich durch. Auf diese Art und Weise erfolgt eine permanente Adaptierung des wenigstens einen Prozessmodellparameters, insbesondere des Wärmeeintragsparameters, wodurch eine echtzeitgenaue Bestimmung des maximal möglichen Stromflusses für einen definierten Zeitraum durch das zweite invertierte Prozessmodell ermöglicht ist.
Bevorzugt ist ferner bei dem zuvor genannten Verfahren, dass bei Überschreitung des maximal möglichen Stromflusses für einen definierten Zeitraum das Steuergerät ein Warnsignal abgibt. Dieses Warnsignal wird vorzugsweise zu einer Anzeigeeinrichtung gesendet, die ein akustisches und/oder optisches Signal aussenden kann. Hierdurch ist eine sofortige Anzeige einer Überbelastung der Batterie möglich. Ein Nutzer der Batterie beziehungsweise eines Fahrzeuges, in dem die Batterie eingebaut ist, erhält unmittelbar ein Feedback über den Zustand der Batterie und kann entsprechend reagieren.
Gemäß einer besonderes bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei dem Verfahren vorgesehen sein, dass bei Überschreitung des maximal möglichen Stromflusses, und damit der Innentemperatur der Batterie beziehungsweise der Innentemperatur der Zellen der Batterie, für einen definierten Zeitraum das Steuergerät ein Abschaltsignal zum Abschalten des Betriebes der Batterie abgibt. Hierdurch kann automatisch eine Beschädigung der Batterie aufgrund eines zu hohen Stromflusses beziehungsweise einer damit verbundenen zu hohen Innentemperatur in der Batterie verhindert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei dem Verfahren vorgesehen sein, dass der Adaptionsregler des Steuergerätes den wenigstens einen vorgegeben Prozessmodellparameter nur dann automatisch adaptiert und diesen wenigstens einen adaptierten Prozessmodellparameter erneut dem ersten Prozessmodell sowie dem zweiten invertierten Prozessmodell zuleitet, wenn ein bestimmter Energieumsatz in der Batterie beziehungsweise in den Zellen der Batterie oder eine bestimmte Temperaturansteuerung zu der Batterie beziehungsweise zu den Zellen der Batterie stattgefunden hat. Das heißt, das Verfahren ermöglicht eine Überprüfung dahingehend, ob ein Adaptionsvorgang Sinn macht. Die Durchführung des Adaptionsvorgangs hängt davon ab, ob ein ausreichend hoher Energieumsatz, dessen Grenzwert zuvor festgelegt werden kann, in den Zellen der Batterie stattgefunden hat, wobei der Energieumsatz vom Strom, vom Innenwiderstand und der Zeit abhängig ist. Alternativ kann die Durchführung des Adaptionsvorgangs davon abhängig gemacht werden, ob eine ausreichend hohe Temperaturansteuerung in den Zellen der Batterie stattgefunden hat. Beispielsweise kann die Analyse des Energieumsatzes oder der Temperaturansteuerung dazu genutzt werden, eine differenzierte Freigabe des Adaptionsvorgangs zu generieren, die aussagt, wann ein Adaptionsvorgang zielführend ist.
Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei dem Verfahren zusätzlich oder alternativ vorgesehen sein, dass das Steuergerät eine Batteriekühlung, die beispielsweise über eine Klimaanlage versorgt beziehungsweise betrieben wird, ein- oder ausschaltet, wobei die Ansteuersignale zu der Batteriekühlung im Prozessmodell verwendet werden, um die Kühlung der Batterie bei der Temperaturermittlung zu berücksichtigen.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Steuergerät zur Bestimmung des maximal möglichen Stromflusses einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, für einen definierten Zeitraum während des Betriebes der Batterie gelöst, wobei das Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Das heißt, das Steuergerät weist eine Sensorik zur Messung des Stromflusses der Batterie zu unterschiedlichen Zeitpunkten auf. Ferner weist das Steuergerät eine Recheneinheit auf, die die Erwärmung der Batterie zwischen den zwei Zeitpunkten anhand der gemessenen Stromflüsse und der Zeitdifferenz zwischen den beiden Zeitpunkten bestimmt. Ferner weist das Steuergerät ein auf dem Steuergerät ablaufendes erstes Prozessmodell auf, welches zur Berechnung der Erwärmung der Batterie zwischen zwei Zeitpunkten dient. Hierzu greift das erste Prozessmodell auf wenigstens einen vorgegebenen Prozessmodellparameter sowie ein entsprechendes mathematisches Modell zurück. Das erste Prozessmodell kann über Ansteuersignale einer Aktuatorik und Sensorsignale der Sensorik des Steuergerätes angesteuert werden und bildet das Verhalten der Batterie unter Nutzung der Steuergeräteausgabezustände ab. Ein Ansteuersignal stellt ein Triggersignal für die Ansteuerung eines oder mehrerer Aktuatoren dar. Die Ansteuersignale und die Sensorsignale dienen als Eingangsgrößen für das Prozessmodell. Ferner weist das Steuergerät eine Vergleichseinheit auf. Die Vergleichseinheit vergleicht die aufgrund der Messung der Stromflüsse bestimmte Erwärmung der Batterie mit der durch das erste Prozessmodell berechneten Erwärmung der Batterie miteinander und ermittelt einen Temperaturerwärmung-Istwert durch Bildung der Differenz zwischen der durch Messung bestimmten Erwärmung und der berechneten Erwärmung der Batterie. In der gleichen Vergleichseinheit oder in einer zusätzlichen Vergleichseinheit des Steuergerätes, insbesondere des Adaptionsreglers des Steuergerätes, findet ein Vergleich des ermittelten Temperaturerwärmung-Istwertes mit einem Temperatur-Sollwert statt, wobei der Temperatur-Sollwert vorzugsweise den Wert Null aufweist oder eine Temperaturdifferenz innerhalb eines vorgegebenen Temperaturdifferenzbereiches darstellt. Der Temperatur-Sollwert ist vorzugsweise ein Sollwert für eine Temperaturdifferenz, die auf 0 geregelt werden soll. Anstatt einer Regelung auf den Wert Null kann eine Regelung auf eine Temperaturdifferenz, die innerhalb eines vorgegebenen Temperaturdifferenzbereiches liegt, erfolgen. Durch das Zulassen eines gewissen Toleranzbandes für den Temperatur-Sollwert, ist gewährleistet, dass der Adaptionsregler nicht ununterbrochen bei sehr kleinen Temperaturdifferenzen herumregelt. Daher kann der Temperatur-Sollwert auch von Null abweichende Werte aufweisen. Der vorgegebene Temperaturdifferenzbereich erstreckt sich vorteilhafterweise zwischen einer Temperaturdifferenz von knapp unter 0°C und knapp über 0°C. Vorteilhafterweise ist die Vergleichseinheit Teil des Adaptionsreglers des Steuergerätes. Der Adaptionsregler des Steuergerätes adaptiert bei Feststellung einer Differenz zwischen dem Temperaturerwärmung-Istwert und dem Temperatur-Sollwert automatisch den wenigstens einen vorgegebenen Prozessmodellparameter und leitet diesen erneut dem ersten Prozessmodell sowie dem zweiten invertierten Prozessmodell des Steuergerätes, welches parallel zu dem ersten Prozessmodell auf dem Steuergerät abläuft, zu. Das zweite invertierte Prozessmodell ist zur Berechnung des maximal möglichen Stromflusses für einen definierten Zeitraum ausgebildet. Dabei greift das zweite invertierte Prozessmodell auf den wenigstens einen von dem Adaptionsregler adaptierten Prozessmodellparameter sowie einer vorgegebenen Höchsttemperatur der Batterie, die diese nicht überschreiten darf, zurück. Das Steuergerät beziehungsweise der Adaptionsregler des Steuergerätes, der vorzugsweise als PID-Regler ausgebildet ist, führt solange eine Adaption des wenigstens einen Prozessmodellparameters durch, solange der Temperaturerwärmung-Istwert vom Temperatur-Sollwert abweicht.
Ein derart ausgebildetes Steuergerät ist konstruktiv einfach und klein ausgebildet. Das Steuergerät ermöglicht eine so genannte Online-Adaption laufender Prozessmodelle während des Betriebes einer Batterie, das heißt eine aktive Überwachung der Batterie. Das Steuergerät beziehungsweise die Prozessmodelle des Steuergerätes kommen mit sehr wenig Vorabbedatungsaufwand beziehungsweise sehr wenigen Prozessmodellparametern aus. Ferner ermöglicht ein derartiges Steuergerät die Erkennung von Systemeigenschaften, insbesondere driftenden Systemeigenschaften, über die gesamte Batterielebensdauer.
Die Erfindung sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt schematisch:

1 in einem Blockschaltbild den Regelkreislauf des erfindungsgemäßen Steuergerätes, welches zur Bestimmung des maximal möglichen Stromflusses einer Batterie ausgebildet ist.

1 zeigt schematisch in einem Blockschaltbild den Regelkreislauf des erfindungsgemäßen Steuergerätes 1, welches zur Bestimmung des maximal möglichen Stromflusses I_{_max} einer Batterie ausgebildet ist. Das Steuergerät 1 weist eine Sensorik 2 zur Messung des Stromflusses I der Batterie zu unterschiedlichen Zeitpunkten t auf. Ferner weist das Steuergerät 1 eine Recheneinheit 3 auf, die die Erwärmung ΔT der Batterie zwischen den zwei Zeitpunkten t anhand der gemessenen Stromflüsse I und der Zeitdifferenz Δt zwischen den beiden Zeitpunkten t bestimmt. Ferner weist das Steuergerät 1 ein auf dem Steuergerät 1 ablaufendes erstes Prozessmodell 5 auf, welches zur Berechnung der Erwärmung ΔT' der Batterie zwischen zwei Zeitpunkten t dient. Hierzu greift das erste Prozessmodell 5 auf wenigstens einen vorgegebenen Prozessmodellparameter 9, der insbesondere ein Wärmeeintragsparameter beziehungsweise ein Wärmekoeffizient ist und der angibt, mit welcher Systemantwort die Zellen der Batterie beziehungsweise die Zellentemperaturen auf eine Strombelastung reagieren„ sowie ein entsprechendes in dem ersten Prozessmodell 5 hinterlegtes mathematisches Modell zurück. Das erste Prozessmodell 5 kann über eine bestimmte Aktorikansteuerung 4 und Sensorik 2 des Steuergerätes 1 angesteuert werden und bildet das Verhalten der Batterie unter Nutzung der Steuergeräteausgabezustände ab. Ferner weist das Steuergerät 1 eine Vergleichseinheit 6 auf. Die Vergleichseinheit 6 vergleicht die aufgrund der Messung der Stromflüsse I bestimmte Erwärmung ΔT der Batterie mit der durch das erste Prozessmodell 5 berechneten Erwärmung ΔT' der Batterie miteinander und ermittelt einen Temperaturerwärmung-Istwert 11 durch Bildung der Differenz zwischen der durch Messung bestimmten Erwärmung ΔT und der berechneten Erwärmung ΔT' der Batterie. In der gleichen Vergleichseinheit 6 oder in einer zusätzlichen Vergleichseinheit 7 des Steuergerätes 1, insbesondere des Adaptionsreglers 8 des Steuergerätes 1, findet ein Vergleich des ermittelten Temperaturerwärmung-Istwertes 11 mit einem Temperatur-Sollwert 12 statt, wobei der Temperatur-Sollwert 12 vorzugsweise den Wert Null aufweist. Alternativ kann eine Regelung auf eine Temperaturdifferenz, die innerhalb eines vorgegebenen Temperaturdifferenzbereiches liegt, erfolgen. Durch das Zulassen eines gewissen Toleranzbandes für den Temperatur-Sollwert 12, ist gewährleistet, dass der Adaptionsregler 8 nicht ununterbrochen bei sehr kleinen Temperaturdifferenzen herumregelt. Daher kann der Temperatur-Sollwert 12 auch von Null abweichende Werte aufweisen. Der vorgegebene Temperaturdifferenzbereich erstreckt sich vorteilhafterweise zwischen einer Temperaturdifferenz von knapp unter 0°C und knapp über 0°C. Vorteilhafterweise ist die Vergleichseinheit 6 oder die zusätzliche Vergleichseinheit 7 Teil des Adaptionsreglers 8 des Steuergerätes 1. Der Adaptionsregler 8 des Steuergerätes 1 adaptiert bei Feststellung einer Differenz zwischen dem Temperaturerwärmung-Istwert 11 und dem Temperatur-Sollwert 12 automatisch den wenigstens einen vorgegebenen Prozessmodellparameter 9 und leitet diesen erneut dem ersten Prozessmodell 5 sowie dem zweiten invertierten Prozessmodell 10 des Steuergerätes 1, welches parallel zu dem ersten Prozessmodell 5 auf dem Steuergerät 1 abläuft, zu. Das zweite invertierte Prozessmodell 10 ist zur Berechnung des maximal möglichen Stromflusses I_{_max} für einen definierten Zeitraum Δt ausgebildet. Dabei greift das zweite invertierte Prozessmodell 10 auf den wenigstens einen von dem Adaptionsregler 8 adaptierten Prozessmodellparameter 9 sowie einer vorgegebenen Höchsttemperatur der Batterie, die diese nicht überschreiten darf, zurück. Das Steuergerät 1 beziehungsweise der Regler 8 des Steuergerätes 1, der vorzugsweise als PID-Regler oder als I-Glied mit Tiefpasseigenschaften ausgebildet ist, führt solange eine Adaption des wenigstens einen Prozessmodellparameters 9 durch, solange der Temperaturerwärmung-Istwert 11 vom Temperatur-Sollwert 12 abweicht.
Ein derart ausgebildetes Steuergerät 1 ist konstruktiv einfach und klein ausgebildet. Das Steuergerät 1 ermöglicht eine so genannte Online-Adaption der Prozessmodelle 5, 10 während des Betriebes einer Batterie, das heißt eine aktive Überwachung der Batterie. Das Steuergerät 1 beziehungsweis die Prozessmodelle 5, 10 des Steuergerätes 1 kommen mit sehr wenig Vorabbedatungsaufwand beziehungsweise sehr wenigen Prozessmodellparametern 9 aus. Ferner ermöglicht ein derartiges Steuergerät 1 die Erkennung von Systemeigenschaften, insbesondere driftenden Systemeigenschaften, über die gesamte Batterielebensdauer.
Bezugszeichenliste

1: Steuergerät
2: Sensorik
3: Recheneinheit
4: Aktorikansteuerung
5: erstes Prozessmodell
6: Vergleichseinheit
7: zusätzliche Vergleichseinheit
8: Adaptionsregler / PID-Regler
9: Prozessmodellparameter
10: zweites Prozessmodell
11: Temperaturerwärmung-Istwert
12: Temperatur-Sollwert
ΔT: bestimmte Erwärmung der Batterie
ΔT': berechnete Erwärmung der Batterie
I: Stromfluss/Stromstärke
t: Zeit
I_{_max}: maximal möglicher Stromfluss/Stromstärke
ΔT_max: maximal zulässige Temperaturdifferenz

Claims

Verfahren zur Bestimmung des maximal möglichen Stromflusses (I_{_max}) einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, für einen definierten Zeitraum (Δt) durch ein Steuergerät (1) während des Betriebes der Batterie, gekennzeichnet durch folgende von dem Steuergerät (1) durchgeführte Verfahrensschritte: a) Messen des Stromflusses der Batterie durch eine Sensorik (2) zu einem ersten Zeitpunkt und einem zweiten Zeitpunkt und Bestimmen der Erwärmung (ΔT) der Batterie zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt anhand der gemessenen Stromflüsse; b) Berechnen der Erwärmung (ΔT') der Batterie zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt durch ein auf dem Steuergerät (1) ablaufendes erstes Prozessmodell (5) bei wenigstens einem vorgegeben Prozessmodellparameter (9), wobei das erste Prozessmodell (5) über Ansteuersignale für eine Aktuatorik und Sensorsignale der Sensorik (2) des Steuergerätes (1) angesteuert wird und das Verhalten der Batterie unter der Nutzung der Steuergeräteausgangszustände abbildet; c) Vergleichen der bestimmten Erwärmung (ΔT) der Batterie mit der berechneten Erwärmung (ΔT') der Batterie und Ermitteln eines Temperaturerwärmung-Istwertes (11) durch Bildung der Differenz zwischen der bestimmten Erwärmung (ΔT) der Batterie und der berechneten Erwärmung (ΔT') der Batterie; d) Vergleichen des ermittelten Temperaturerwärmung-Istwertes (11) mit einem Temperatur-Sollwert (12), wobei der Temperatur-Sollwert (12) den Wert Null aufweist oder eine Temperaturdifferenz innerhalb eines vorgegebenen Temperaturdifferenzbereiches darstellt; e) bei Feststellung einer Differenz zwischen dem Temperaturerwärmung-Istwert (11) und dem Temperatur-Sollwert (12) adaptiert ein Adaptionsregler (8) des Steuergerätes (1) automatisch den wenigstens einen vorgegeben Prozessmodellparameter (9) und leitet diesen wenigstens einen adaptierten Prozessmodellparameter (9) erneut dem ersten Prozessmodell (5) sowie einem zweiten invertierten Prozessmodell (10), welches parallel zu dem ersten Prozessmodell (5) auf dem Steuergerät (1) abläuft, zu; f) Berechnen des maximal möglichen Stromflusses (I_{_max}) für einen definierten Zeitraum (Δt) durch das zweite invertierte Prozessmodell (10) anhand des wenigstens einen adaptierten Prozessmodellparameters (9) und einer vorgegebenen Höchsttemperatur der Batterie, die nicht überschritten werden darf;
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte a) - f) mit dem durch den Adaptionsregler (8) des Steuergerätes (1) adaptierten wenigstens einen Prozessmodellparameter (9) erneut durchgeführt werden, solange der Temperaturerwärmung-Istwert (11) vom Temperatur-Sollwert (12) abweicht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessmodellparameter (9) ein Wärmeeintragsparameter vorgegeben und adaptiert wird, wobei der Wärmeeintragsparameter angibt, mit welcher Systemantwort die Zellen der Batterie beziehungsweise die Zellentemperaturen auf eine Strombelastung reagieren.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Feststellung einer Differenz zwischen dem Temperaturerwärmung-Istwert (11) und dem Temperatur-Sollwert (12) der Adaptionsregler (8) des Steuergerätes automatisch den wenigstens einen vorgegeben Prozessmodellparameter (9) adaptiert und diesen wenigstens einen adaptierten Prozessmodellparameter (9) erneut dem ersten Prozessmodell (5) sowie dem zweiten invertierten Prozessmodell (10) zuleitet.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Adaptionsregler (8) ein I-Glied mit Tiefpasseigenschaften oder ein PID-Regler ist.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreitung des maximal möglichen Stromflusses (I_{_max}) für einen definierten Zeitraum (Δt) das Steuergerät (1) ein Warnsignal abgibt.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreitung des maximal möglichen Stromflusses (I_{_max}) für einen definierten Zeitraum (Δt) das Steuergerät (1) ein Abschaltsignal zum Abschalten des Betriebes der Batterie abgibt.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Adaptionsregler (8) des Steuergerätes (1) den wenigstens einen vorgegeben Prozessmodellparameter (9) nur dann automatisch adaptiert und diesen wenigstens einen adaptierten Prozessmodellparameter (9) erneut dem ersten Prozessmodell (5) sowie dem zweiten invertierten Prozessmodell (10) zuleitet, wenn ein bestimmter Energieumsatz in der Batterie oder eine bestimmte Temperaturansteuerung zu der Batterie stattgefunden hat.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (1) eine Batteriekühlung ein- oder ausschaltet, wobei die Ansteuersignale zu der Batteriekühlung im Prozessmodell verwendet werden, um die Kühlung der Batterie bei der Temperaturermittlung zu berücksichtigen.
Steuergerät (1) zur Bestimmung des maximal möglichen Stromflusses (I_{_max}) einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, für einen definierten Zeitraum (Δt) während des Betriebes der Batterie, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (1) zur Durchführung des Verfahrens gemäß wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.