DE10208651A1

DE10208651A1 - Verfahren zur Ladezustandsermittlung einer Batterie, insbesondere für ein Hybridfahrzeug

Info

Publication number: DE10208651A1
Application number: DE10208651A
Authority: DE
Inventors: Markus Bulling; Markus Walter
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2001-06-20
Filing date: 2002-02-28
Publication date: 2003-01-09
Anticipated expiration: 2022-03-01
Also published as: DE10208651B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Ladezustands einer Batterie mit wenigstens einer Zelle, insbesondere einer Traktionsbatterie für ein Hybridfahrzeug. DOLLAR A Erfindungsgemäß sind die Schritte des Aufladens der Zelle bis in den Bereich einsetzender Gasung, des Berechnens der Zellentemperatur wenigstens aus erfassten Spannungs- und Stromwerten, des Messens der Zellentemperatur, des Berechnens der Differenz zwischen gemessener und berechneter Temperatur und des Bestimmens des Ladezustands mittels eines ersten vorbestimmten Zusammenhangs zwischen berechneter Temperaturdifferenz und Ladezustand vorgesehen. DOLLAR A Verwendung z. B. in Batterie-Management-Systemen für Hybridfahrzeuge.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Ladezustands einer Batterie mit wenigstens einer Zelle, insbesondere einer Traktionsbatterie für ein Hybridfahrzeug.
Aus der deutschen Patentschrift DE 43 37 020 C1 ist ein Verfahren zur Überwachung der Traktionsbatterie eines Hybridfahrzeugs bekannt, bei dem über eine Bilanzierung der der Traktionsbatterie zugeführten und entnommenen Ladungsmengen der Ladezustand der Traktionsbatterie ermittelt wird. Dabei wird eine Fehlergröße für die ermittelte Ladungsmenge berechnet, welche aus einem Zeitintegral über den Stromdurchsatz der Batterie hervorgeht und ein Streuintervall für die Abweichung des angezeigten Ladezustands vom tatsächlichen Ladezustand darstellt. Überschreitet diese Fehlergröße einen Schwellwert, so führt dies zum Aktivieren einer Anzeigeeinheit, die dem Fahrer des Hybridfahrzeugs die Notwendigkeit eines Neustarts in der Ladungsbilanzierung mittels Durchführen eines Tiefentladungsvorgangs oder eines Vollladungsvorgangs anzeigt. Letzteres geschieht herkömmlicherweise durch Anschluss der Traktionsbatterie an ein öffentliches Stromnetz. Da bei sehr dynamischen Lastprofilen, wie sie bei Hybridfahrzeugen auftreten, ein Vollladezustand so gut wie nie erreicht wird, ist infolgedessen der regelmäßige Anschluss der Traktionsbatterie an das öffentliche Stromnetz erforderlich. Dies ist regelmäßig nicht möglich.
Eine zuverlässige Ladezustandsüberwachung ist insbesondere dann wichtig, wenn eine elektrohydraulische Bremse als sicherheitsrelevantes System in einem Fahrzeug zum Einsatz kommt.
Mit der Erfindung soll auch während des Fahrbetriebs eine verbesserte Ladezustandsbestimmung insbesondere unabhängig von der Betriebsstrategie des Fahrzeuges ermöglicht werden.
Erfindungsgemäß ist hierzu ein Verfahren zur Ermittlung des Ladezustands einer Batterie mit wenigstens einer Zelle, insbesondere einer Traktionsbatterie für ein Hybridfahrzeug vorgesehen, bei dem folgende Schritte durchgeführt werden:
Aufladen der Zelle bis in den Bereich einsetzender Gasung, Berechnen der Zellentemperatur wenigstens aus gemessenen Spannungs- und Stromwerten, Messen der Zellentemperatur, Berechnen der Differenz zwischen gemessener und berechneter Temperatur und Bestimmen des Ladezustands mittels eines Zusammenhangs zwischen berechneter Temperaturdifferenz und Ladezustand.
Nahe dem Vollladezustand entwickelt eine Zelle durch Nebenreaktionen eine erhöhte Erwärmung. Diese entsteht dadurch, dass sich ein zunehmend höherer Anteil des Gesamtstroms in Wärme umwandelt. Indem die Temperatur der Zelle einerseits wenigstens aus den gemessenen Spannungs- und Stromwerten berechnet und andererseits unmittelbar an der Zelle gemessen wird, kann anhand der Temperaturdifferenz auf den Ladezustand der Zelle rückgeschlossen werden. Mittels eines Vergleichs der bestimmten Temperaturdifferenz mit einem analytisch oder durch Messreihen bestimmten Schwellwert - von beispielsweise 3 K - wird beim Erreichen des Schwellwertes ein Ladezustand nahe des Vollladezustandes - beispielsweise SOC = 97% - erkannt.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die berechneten Temperaturwerte vor der Weiterverarbeitung mittels eines Tiefpasses gefiltert werden. Beispielsweise kann ein Software-Tiefpass verwendet werden, um Totzeit und Zeitkonstante der Erwärmung der Zelle zu berücksichtigen.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei der Berechnung der Batterietemperatur eine Batteriekühlleistung berücksichtigt wird. Gerade bei dynamischen Lastprofilen, wie sie bei Hybridfahrzeugen auftreten, ist eine Batteriekühlung vorteilhaft, die im Sinne einer möglichst exakten Ladezustandsbestimmung berücksichtigt werden kann.
Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird in Fortführung der Erfindung durch folgendes zusätzliches Verfahren zur Ermittlung des Ladezustands einer Batterie mit wenigstens einer Zelle gelöst, bei dem folgende Schritte durchgeführt werden:
Erfassen von wenigstens zwei Messwertepaaren für Spannung und Strom,
Korrigieren der erfassten Messwertepaare für Spannung und Strom unter Berücksichtigung einer Batterieersatzschaltung auf Werte, die sich im thermisch eingeschwungenen Zustand ergeben, mittels eines vorbestimmten ersten Zusammenhangs, Interpolieren der erfassten Messwerte,
Bestimmen eines Ruhespannungswerts beim Stromwert 0 und Bestimmen des Ladezustands mittels eines zweiten Zusammenhangs zwischen ermittelter Ruhespannung und Ladezustand.
Dabei wird die gemessene Spannung auf einen Wert korrigiert, der sich im Konstantstromfall nach ausreichender Wartezeit einstellen würde. Dazu wird vorteilhafterweise ein einfaches Batteriemodell iterativ nachgeführt. Bei sehr starker Dynamik kann mittels dieses Verfahrens eine exaktere Ladezustandsbestimmung erfolgen, beispielsweise dann, wenn aufgrund hochdynamischer Fahrprofile ein Aufladen der Batterie bis in den Bereich einsetzender Gasung nicht möglich ist. Die Ruhespannung einer Zelle ist von ihrem Ladezustand abhängig. Durch Interpolation, beispielsweise lineare Interpolation, kann auch im Fahrbetrieb ein fiktiver Ruhespannungswert beim Stromwert 0 bestimmt werden. Auf diese Weise kann die Ruhespannung und damit der Ladezustand SOC ermittelt werden, ohne den Stromkreis des Antriebsmotors tatsächlich öffnen und in den Ruhezustand versetzen zu müssen.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass vor dem Erfassen der wenigstens zwei Messwertepaare die Zelle bis in den Bereich des Vollladezustands aufgeladen wird. Ein solches Vorgehen ist besonders bei NiMH-Batterien oder auch NiCd-Batterien vorteilhaft, die im üblichen Betriebsbereich nur eine geringe Abhängigkeit der Ruhespannung vom Ladezustand aufweisen. Indem der Ladezustand bewusst aus seinem normalen Arbeitspunkt heraus in Richtung Vollladung oder Tiefentladung verschoben wird, ist mittels der Ruhespannung eine genauere Bestimmung des Ladezustands möglich. Diese dann vergleichsweise genaue Ladezustandsbestimmung kann dann beispielsweise als Kalibrierung für konventionelle Verfahren zur Ladezustandsbestimmung verwendet werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der bestimmte Ruhespannungswert auf einen Ruhespannungswert bei einer vorbestimmten Batterietemperatur korrigiert wird.
Indem der ermittelte Ruhespannungswert mit einem Ruhespannungswert bei beispielsweise 20°C korrigiert wird, kann die Temperaturabhängigkeit der Ruhespannung berücksichtigt werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste und/oder der zweite vorbestimmte Zusammenhang selbstlernend veränderbar sind.
Auf diese Weise können Alterungsvorgänge in den Zellen der Batterie über die Lebensdauer der Batterie berücksichtigt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen und den Ansprüchen. In den Zeichnungen zeigen
Fig. 1 einen beispielhaften Verlauf des Ladezustands zusammen mit den Kurven für die berechnete und die gemessene Zellentemperatur,
Fig. 2 die Abhängigkeit der Ruhespannung vom Ladezustand für eine Blei-Batterie sowie eine NiMH-Batterie,
Fig. 3 einen Verlauf des Ladezustands einer Batterie zusammen mit dem gemäß der Erfindung ermittelten Verlauf der Ruhespannung und der an der Batterie anliegenden Spannung,
Fig. 4 gemessene sowie korrigierte Spannungs-/Stromwertepaare sowie eine Interpolationsgerade,
Fig. 5 ein einfaches Batteriemodell, das zur Korrektur der erfassten Spannungs-/Stromwertepaare bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird und
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Batterie- Management-Systems zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In der Darstellung der Fig. 1 ist ein beispielhafter Verlauf des ermittelten Ladezustands einer Batterie durch die gepunktete Kurve 10 dargestellt. Durch die Steuerung eines Batterie-Management-Systems wird der Ladezustand der Batterie von etwa 75% auf 95% erhöht. Die Kurve 12 zeigt den Verlauf der an einer Zelle der Batterie gemessenen Temperatur. Demgegenüber stellt die Kurve 14 den Verlauf der berechneten Temperatur dar. Ab etwa 80% Ladezustand (SOC) ist zu erkennen, dass die gemessene Temperatur 12 deutlich stärker ansteigt als die berechnete Temperatur 14. Dieser Temperaturanstieg der gemessenen Temperatur 12 ist durch das Einsetzen der Gasung in der Zelle der Batterie verursacht, wodurch sich ein höher Anteil des Gesamtstroms in Wärme umwandelt. Wird die Zelle weiter aufgeladen, steigt die gemessene Temperatur 12 weiter an, wohingegen die berechnete Temperatur 14 aufgrund der angenommenen Abschaltung der Stromzufuhr auf einem im wesentlichen konstanten Niveau bleibt. Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, kann aus der Größe der Temperaturdifferenz ΔT zwischen der gemessenen Temperatur 12 und der berechneten Temperatur 14 auf den ermittelten Ladezustand der Batterie entsprechend dem Verlauf 10 geschlossen werden.
Ist die Temperaturdifferenz ΔT größer als ein vorbestimmter Grenzwert, so wird ein Ladezustandszähler im Steuergerät eines Batterie-Management-System auf den vorbestimmten Ladezustandswert gesetzt. Dies ist durch den sprunghaften Anstieg des ermittelten Landezustandes SOC von etwa 95% auf etwa 97% dargestellt. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt eine Neufestsetzung des ermittelten Ladezustands auf den bspw. anhand von Meßreihen vorbestimmten Wert dann, wenn die Temperaturdifferenz ΔT größer als 3K ist.
Die zu erfassende Erwärmung im Überladebereich oberhalb etwa 80% Ladezustand (SOC) erfordert die zuverlässige Erkennung eines Temperaturanstiegs um 1,5 K mit einer Genauigkeit von mindestens 0,5 K. Wichtig ist dabei, dass ein guter Wärmeübergang zwischen Temperaturfühler und Zelle vorliegt und ein Kühlmedium der Batterie den Temperaturfühler nicht direkt beeinflusst.
Anhand von Messungen wurde eine Totzeit für den Temperaturanstieg von ca. 10 Sekunden ermittelt. Anschließend stellt sich der erwartete Temperaturwert nach einer Zeitkonstanten von etwa T = 20 Sekunden ein. Diese Werte können beispielsweise experimentell ermittelt werden. Um diesen Umständen Rechnung zu tragen, wird die berechnete Temperatur über einen Software-Tiefpaß gefiltert, ehe sie mit der gemessenen Temperatur verglichen wird.
Für den Temperaturanstieg einer Batterie bei Belastung mit dem Strom I gilt folgende Formel:
dT = dQ/C = 1/C.(R.I₂+(U_t-U₀).I-P_kühl)dt
mit T = Batterietemperatur,
Q = Wärmemenge,
C = Wärmekapazität,
R = Innenwiderstand,
U₀ = Ruhespannung,
U_t = thermoneutrales Potential und
P_kühl = Kühlleistung.
Mit
R = abs ((U₀-U)/I)
erhält man eine Funktion für den Temperaturanstieg in Abhängigkeit von den aktuell gemessenen Werten für Strom I und Spannung U. U₀ und U_T sind näherungsweise konstant, wobei zur Berücksichtigung beispielsweise von Alterungsvorgängen ein bezüglich U₀ und U_T selbstlernender Algorithmus verwendet werden kann.
Im Bereich unterhalb eines Ladezustands ohne Gasbildung bspw. unterhalb von 60% wird die Erwärmung der Batterie mit der Annahme U₀ = U_T beschrieben durch
dT = 1/C.(abs (U₀-U).I-P_kühl)dt.
Steigt der Ladezustand in einen Bereich mit Gasbildung aufgrund einer Überladereaktion an, so wird die Erwärmung deutlich höher:
dT = 1/C.((U-U₀).I₁+U.I₂-P_kühl)dt,
wobei I = I₁+I₂,
I₁ = Ladestrom und
I₂ = Überladestrom.
Der Überladestrom I² ist eine Funktion des Ladezustands.
Eine deutliche Überlade- oder Gasungsreaktion ist nur im Bereich des Vollladezustands der Batterie zu beobachten. Dieser Vollladezustand wird im Hybridbetrieb normalerweise nicht erreicht. Daher hebt ein Steuergerät des Batterie- Management-Systems den Ladezustand der Batterie von Zeit zu Zeit auf 100% an. Durch eine solche sogenannte Ladezustands-Exkursion kann der Ladezustand genau bestimmt werden. Der auf diese Weise ermittelte Wert für den Ladezustand kann als Kalibrierwert für konventionelle Verfahren zur Ladezustandsbestimmung verwendet werden.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird bei sehr dynamischen Lastprofilen ergänzend ein Verfahren zur Ladezustandsbestimmung angewendet, bei dem die Abhängigkeit der Ruhespannung der Zelle vom Ladezustand dazu benutzt wird, den Ladezustand zu bestimmen.
Ein solcher Zusammenhang zwischen Ruhespannung OCV und Ladezustand SOC ist in der Fig. 2 dargestellt. Die Kurve 16repräsentiert den Verlauf der Ruhespannung über dem Ladezustand für eine herkömmliche Bleibatterie.
Die Abhängigkeit der Ruhespannung OCV vom Ladezustand SOC einer NiMH-Zelle gilt beim Aufladen der Zelle die gepunktet dargestellte Kurve 18, beim Entladen gilt die gestrichelt dargestellte Kurve 20. Es ist deutlich zu erkennen, dass im Bereich von etwa 30% bis 70% SOC die Abhängigkeit der Ruhespannung OCV vom Ladezustand SOC nur gering ist. Bei NiMH- Zellen bietet sich daher zur Bestimmung des Ladezustands mittels der Ruhespannung eine Ladezustandsexkursion in Richtung Vollladezustand oder Entladezustand an, d. h. über etwa 70% SOC hinaus oder unter etwa 30% SOC.
Fig. 3 zeigt die Verifizierung der Korrelation zwischen der ermittelten Ruhespannung und dem Ladezustand der Batterie bei einem beispielhaften Lastprofil.
Das Lastprofil ist anhand des Verlaufs der durchgezogen dargestellten Kurve 22 der Batteriespannung dargestellt. Rasche Anstiege und starke Abfälle der Batteriespannung 22 verdeutlichen ein hochdynamisches Lastprofil. Der Ladezustand (SOC) der Batterie ist durch die gestrichelt dargestellte Kurve 24 dargestellt. Ausgehend von etwa 80% steigt der Ladezustand (SOC) im dargestellten Verlauf relativ gleichförmig bis auf etwa 92% an. Der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelte Verlauf der Ruhespannung OCV ist durch die durchgezogene Linie 26 dargestellt, die mit Dreiecken markiert ist. Wie Fig. 3 zu entnehmen ist, folgt der Verlauf der ermittelten Ruhespannung OCV im wesentlichen dem Verlauf 24 des Ladezustands SOC. Mittels der Ermittlung der Ruhespannung ist somit eine auch bei hochdynamischen Lastprofilen verlässliche Ladezustandsermittelung möglich.
Fig. 4 verdeutlicht die Ermittlung der Ruhespannung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. Während des Fahrbetriebs werden Wertepaare für Strom und Spannung ermittelt, die in Fig. 4 durch rautenförmige Markierungen 28 dargestellt sind. Die erfassten Wertepaare 28 werden dann auf einen Wert korrigiert, der sich im Konstantstromfall nach ausreichender Wartezeit einstellen würde. Diese korrigierten Werte sind in der Fig. 4 durch quadratische Symbole 30 angedeutet. Zur Korrektur der Werte 28 auf die Werte 30 wird ein einfaches Batteriemodell, das in der Fig. 5 dargestellt ist, iterativ nachgeführt.
Auf diese Weise können Effekte von Relaxationsströmen eliminiert werden.
Die ermittelten korrigierten Wertepaare 30 werden nach Überstreichen eines bestimmten, nicht zu großen SOC-Bereichs weiterverarbeitet, sofern die Stromvarianz dieser Daten ausreichend groß ist. Hierzu werden die Wertepaare 30 linear interpoliert, wodurch man eine Interpolationsgerade 32 durch die Wertepaare 30 erhält. Aus dem Wert der Interpolationsgeraden 32 bei null Ampere erhält man einen Wert für die momentane Batterieruhespannung. Aus der Steigung der Geraden kann der Batteriewiderstand bestimmt werden. Da die Ruhespannung temperaturabhängig ist, wird der ermittelte Ruhespannungswert auf einen Ruhespannungswert bei 20°C korrigiert.
Dieser zur Temperaturkorrektur verwendete Ruhespannungswert kann aus Messungen abgeleitet werden.
Die beiden beschriebenen Verfahren zur Ladezustandsbestimmung ergänzen sich und werden beide zur Ermittlung des Ladezustands eingesetzt. Die Bestimmung des Ladezustands anhand erhöhter Erwärmung der Zellen nahe dem Vollladezustand wird dann eingesetzt, wenn hinsichtlich des Lastprofils mäßige Dynamik vorliegt und somit der Fahrzustand eine möglichst zügige Ladung der Batterie ermöglicht. Bei hochdynamischen Fahrprofilen wird der Ladezustand mittels der Ermittlung der Ruhespannung bestimmt. Auf diese Weise können die Schwachstellen beider Verfahren gegenseitig ausgeglichen werden.
Ein in der Fig. 6 dargestelltes Batterie-Management-System eines Hybridfahrzeugs weist ein Steuergerät 34 und einen Temperaturfühler 36 auf. Der Temperaturfühler liegt an einer oder mehreren Zellen einer Traktionsbatterie 38 an und erfasst deren Temperatur. Das Steuergerät 34 erfasst und steuert auch die an der Batterie 38 anliegende Spannung und den zugeführten bzw. entnommenen Strom. Mittels des Steuergeräts 34 kann beispielsweise der ermittelte Ladezustand der Batterie 38 angehoben werden. Über das Steuergerät 34 ist die Batterie 38 auch mit den übrigen elektrischen Komponenten des Hybridfahrzeugs, beispielsweise dem Antriebsmotor, verbunden.

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung des Ladezustands einer Batterie mit wenigstens einer Zelle, insbesondere einer Traktionsbatterie für ein Hybridfahrzeug, mit folgenden Schritten:

- Aufladen der Zelle bis in den Bereich einsetzender Gasung,

- Berechnen der Zellentemperatur wenigstens aus gemessenen Spannungs- und Stromwerten,

- Messen der Zellentemperatur,

- Berechnen der Differenz zwischen gemessener und berechneter Temperatur und

- Bestimmen des Ladezustands mittels eines ersten vorbestimmten Zusammenhangs zwischen berechneter Temperaturdifferenz und Ladezustand.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die berechneten Temperaturwerte vor der Weiterverarbeitung mittels eines Tiefpasses gefiltert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung der Zellentemperatur eine Batteriekühlleistung berücksichtigt wird.

4. Verfahren zur Ladezustandsermittlung einer Batterie mit wenigstens einer Zelle, nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit folgenden ergänzenden Schritten:

- Erfassen von wenigstens zwei Messwertepaaren für Spannung und Strom,

- Korrigieren der erfassten Messwertepaare für Spannung und Strom auf sich im eingeschwungenen Zustand ergebende Werte unter Berücksichtigung einer Batterieersatzschaltung

- Interpolieren der korrigierten Messwertepaare und Ermitteln eines Ruhespannungswerts beim Stromwert 0 und

- Bestimmen des Ladezustands mittels eines zweiten vorbestimmten Zusammenhangs zwischen ermittelter, Ruhespannung und Ladezustand.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Erfassen der wenigstens zwei Messwertepaare die Zelle bis in den Bereich des Vollladezustands aufgeladen oder bis in den Bereich des Entladezustands entladen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, gekennzeichnet durch Korrigieren des ermittelten Ruhespannungswerts auf einen Ruhespannungswert bei einer vorbestimmten Batterietemperatur.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Zusammenhang selbstlernend veränderbar sind.