EP2488884A2 - Verfahren zur bestimmung und/oder vorhersage der hochstrombelastbarkeit einer batterie - Google Patents
Verfahren zur bestimmung und/oder vorhersage der hochstrombelastbarkeit einer batterieInfo
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- EP2488884A2 EP2488884A2 EP10763179A EP10763179A EP2488884A2 EP 2488884 A2 EP2488884 A2 EP 2488884A2 EP 10763179 A EP10763179 A EP 10763179A EP 10763179 A EP10763179 A EP 10763179A EP 2488884 A2 EP2488884 A2 EP 2488884A2
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Definitions
- the invention relates to a method for determining and / or predicting the high-current capacity of a battery, in particular a battery for a hybrid or battery vehicle.
- the prediction of the behavior of an electrical energy store, in particular a battery, in different operating modes is of great importance for the energy management of a vehicle, in particular also for safety-relevant functions.
- the most critical mode of operation is the load on the energy store or battery with a high discharge current.
- An example of such a high current load is the starting process of an internal combustion engine, in which the necessary minimum speed is generated by an electric starter, which is fed by an electrical energy storage.
- Other applications are in particular the electro-hydraulic braking, electric steering and electrically assisted starting or accelerating, as used in hybrid vehicles.
- the battery impedance is determined in a medium current range, the assertion is for high currents, e.g. too conservative for maximum power prediction, i. it indicates a clearly too small value of the available maximum power. If, on the other hand, the impedance is determined from high-current pulses, inaccuracies arise for medium and small currents. The latter leads, especially in the case of model-based state determination methods, to considerable inaccuracies in the maximum current carrying capacity.
- the object of the invention is to provide an easy-to-use method for the accurate determination and / or prediction of the high-current capacity of a battery.
- this object is achieved in a method of the type specified by the features of claim 1.
- Fig. 3 (Mr. Roscher: your picture 3) is a circuit diagram for explaining the method according to the invention.
- the equivalent circuit shown in Fig. 1 (Mr. Roscher: your picture 2) (i.f. ESB called) makes it possible to describe the dynamic behavior of a battery.
- the ESB consists of a series resistor R2 and an RC element (R1, C1) in series. This allows transient processes to be mapped.
- the behavior of the illustrated ESB can be mapped with a discrete transfer function (G (z)) in the time domain. This allows the output value of the model to be calculated as a linear combination of the current (current and obsolete by one time step) and the obsolete voltage in a manner known per se.
- G (z) discrete transfer function
- the R2, R1 and C1 parameters of the ESB are current dependent.
- the coefficients of the discrete transmission function of the ESB are also current dependent.
- the real part of the battery impedance Ri in ohms
- the current influenced by the current direction and the current as shown in FIG. 2 (Herr Roscher:
- a current divider (1) the current is split according to its amplitude, the current components 11, ..., In are obtained for the respective current ranges (the description of the calculation blocks will be discussed in more detail later).
- a voltage response Uprog of the battery is predicted in a combiner 2 from the current components I1,..., Ln and the coefficients a, b1,... Bn of the discrete transfer function stored in the coefficient memory (4). From this and the high-pass filtered actual battery voltage U actual, the difference e is formed. From this and the current components, the change of the coefficients a, b1,... Bn is calculated by a correction term in an adjuster 3 and the sum of the old coefficient and its change becomes the new coefficients a A , b1 A ,...
- Bn A of the transfer function is calculated.
- the new coefficients a A , b1 A ,... Bn A are stored in a memory 4 and used in the next calculation step. From the coefficients a A , b1 A ,... Bn A , the impedance parameters are calculated selectively for the current ranges by a unambiguous transformation in a converter 5.
- the high-pass filtered current is assigned to a specific current range depending on the sign and / or its amplitude.
- this division function F (1) is shown by way of example for three current ranges.
- the current ranges are mutually overlapping, that is, one current can be divided into two or more regions (as shown in FIG. 4) or sharply demarcated from each other.
- the current is multiplied by the division functions F (l) of the current regions.
- the current components 11,..., In are multiplied in the combiner 2 by the coefficients a, b1,... Bn of the transfer function at each sampling instant k (equation 1, variable n corresponds to the index of the current range).
- the battery is thus mapped as an M ISO system (Multi In (11, ..., In), Single Out (Uprog)).
- Each current range n thus corresponds to two coefficients bn, 0, bn, 1 of the transfer function.
- the coefficient a reflects the recirculated voltage and is thus independent of the current range by superposition of several R-RC elements.
- Parts 3 and 4 The calculation of a correction of the coefficients of the transfer function in the adjuster 3 and a delay of the coefficients by a time step in the memory 4 are known, for example, under the name "Recursive Least Squares".
- the real battery impedance parameters are assigned to individual coefficients a A , b1 A ,... Bn A , corresponding to the respective current ranges (current range n), according to the following equations 2-4 (series resistance for the current range n corresponds to Rn , 2; parallel resistance Rn, 1 and capacitance Cn, 1).
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Abstract
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Vorhersage der Hochstrombelastbarkeit einer Batterie, bei dem die Parameter eines Modells der Batterieimpedanz zugrunde gelegt und daraus die Hochstrombelastbarkeit der Batterie bestimmt wird und für den Lade- und den Entladevorgang unterschiedliche Parameter zugrunde gelegt werden.
Description
Verfahren zur Bestimmung und/oder Vorhersage der Hochstrombelastbarkeit einer Batterie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Vorhersage der Hochstrombelastbarkeit einer Batterie, insbesondere einer Batterie für ein Hybridoder Batteriefahrzeug.
Die Vorhersage des Verhaltens eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere einer Batterie, in unterschiedlichen Betriebsarten ist von großer Bedeutung für das Energiemanagement eines Fahrzeugs, insbesondere auch für sicherheitsrelevante Funktionen. Der kritischste Betriebsmodus ist die Belastung des Energiespeichers bzw. der Batterie mit einem hohen Entladestrom. Ein Beispiel für eine derartige Hochstrombelastung ist der Startvorgang eines Verbrennungsmotors, bei dem die notwendige Mindestdrehzahldurch einen elektrischen Anlasser erzeugt wird, der von einem elektrischen Energiespeicher gespeist wird. Andere Anwendungsfälle sind insbesondere das elektrohydraulische Bremsen, elektrische Lenken und elektrisch unterstützte Anfahren oder Beschleunigen, wie es in Hybridfahrzeugen zum Einsatzkommt.
Wenn die Spannung während dieses Vorgangs eine Mindestspannung unterschreitet, ist es zum Schutz des Energiespeichers nicht möglich, eine ausreichende Leistung aus dem Energiespeicher bzw. der Batterie zu entnehmen, um den Vorgang erfolgreich zu beenden.
Um die Leistungsfähigkeit einer Batterie eines Kraftfahrzeugs zu bestimmen oder vorherzusagen sind unterschiedliche Ansätze bekannt. Für die Bestimmung der Maximalstrombelastbarkeit existieren Verfahren, um aus kurzzeitigen Hochstrombeanspruchungen der Batterie einen Widerstand zu ermitteln, der ein
Maß für den Spannungseinbruch der Batterie während dieser Belastung ist. Daneben existieren Ansätze aus dem Wechselanteil von Strom und Spannung, ohne aktive Anregung, eine Batterieimpedanz abzuleiten (z.B. DE10337064B4, GB2352820A, WO2005050810A1 und US6037777). Dabei ergibt sich eine mittlere Batterieimpedanz für den gesamten Strombereich.
Wird die Batterieimpedanz in einem mittleren Strombereich bestimmt, ist die Aussage für hohe Ströme, z.B. für eine Maximalleistungsprognose zu konservativ, d.h. sie gibt einen deutlich zu kleinen Wert der verfügbaren maximalen Leistung an. Wird die Impedanz hingegen aus Hochstrompulsen bestimmt, ergeben sich Ungenauigkeiten für mittlere und kleine Ströme. Letzteres führt besonders bei modellbasierten Zustandsbestimmungsverfahren zu erheblichen Ungenauigkeiten hinsichtlich der Maximalstrombelastbarkeit.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfach zu handhabendes Verfahren zur genauen Bestimmung und/oder Vorhersage der Hochstrombelastbarkeit einer Batterie zu schaffen.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei dem Verfahren zur Bestimmung und/oder Vorhersage der Hochstrombelastbarkeit einer Batterie werden die Parameter eines Modells der Batterieimpedanz zu Grunde gelegt. Daraus wird die Hochstrombelastbarkeit der Batterie bestimmt. Dabei werden für den Lade- und den Entladevorgang unterschiedliche Parameter zugrunde gelegt, die ihrerseits wieder aus unterschiedlichen Kennlinien entnommen werden. Unterschiedlich bedeutet, wie weiter unten im Einzelnen gezeigt, dass die für den Ladevorgang, d.h. eine positive Stromrichtung maßgebliche Kennlinie bei Spiegelung an der (Strom=)0- Linie nicht mit der Kennlinie für den Entladevorgang, d.h. die negative Stromrichtung maßgebliche Kennlinie nicht übereinstimmt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein Ersatzschaltbild eines elektrischen Energiespeichers,
Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der physikalischen Grundlage der Erfindung,
Fig. 3 (Herr Roscher: Ihr Bild 3) ein Schaltbild zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Fig. 4 (Ihr Bild 4) ein Diagramm zur näheren Erläuterung einer Einzelheit des Schaltbilds von Fig. 3.
Das in Fig. 1 (Herr Roscher: Ihr Bild 2)gezeigte Ersatzschaltbild (i.f. ESB genannt) ermöglicht es, das dynamische Verhalten einer Batterie zu beschreiben. Das ESB besteht aus einem seriellen Widerstand R2 und einem RC-Glied (R1 , C1 ) dazu in Reihe. Dadurch lassen sich transiente Vorgänge abbilden.
Das Verhalten des dargestellten ESBs lässt sich mit einer diskreten Übertragungsfunktion (G(z)) im Zeitbereich abbilden. Mit dieser lässt sich der Ausgangswert des Modells als Linearkombination des Stromes (aktuell und um einen Zeitschritt veraltert) und der veralterten Spannung in an sich bekannter Weise berechnen.
Bei Batterien sind die R2, R1- und C1-Parameter des ESBs stromabhängig. Demzufolge sind die Koeffizienten der diskreten Übertragungsfuntkion des ESB ebenfalls stromabhängig. Insgesamt ergibt sich ein von der Stromrichtung und der Stromstärke beeinflußter Zusammenhang zwischen dem Realteil der Batterieimpedanz Ri (in Ohm) und dem Strom, wie er in Fig. 2 dargestellt ist (Herr Roscher: Ihr Bild 1 ).
Erfindungsgemäße erfolgt die Berechnung der stromabhängigen Impedanzparameter wie in Bild 3 dargestellt. Aus den Messdaten Spannung Umess und Strom Imess der Batterie wird, durch einen digitalen Hochpass 6, der Wechselanteil von Strom und Spannung bestimmt. In einem Stromaufteiler (1 ) wird der Strom entsprechend seiner Amlitude gesplittet, man erhält die Stromanteile 11 ,... , In für die jeweiligen Strombereiche (Auf die Beschreibung der Berechnungsblöcke wird später genauer eingegangen.). Durch Linearkombination werden in einem Kombinierer 2 aus den Stromanteilen I1 ,... ,ln und den anzupassenden Koeffizienten a,b1 ,... bn der diskreten Übertragungsfunktion, gespeichert im Koeffizientespeicher (4), eine Spannungsantwort Uprog der Batterie prognostiziert. Aus dieser und der hochpassgefilterten tatsächlichen Batteriespannung Uist wird die Differenz e gebildet. Aus dieser und den Stromanteilen wird durch einen Korrekturterm in einem Anpasser 3 die Veränderung der Koeffizienten a,b1 , ... bn berechnet und aus der Summe der alten Koeffizient und deren Veränderung werden die neuen Koeffizienten aA,b1 A,... bnA der Übertragungsfunktion berechnet. Die neuen Koeffizienten aA,b1 A,... bnA werden in einem Speicher 4 gespeichert und im nächsten Berechnungschritt verwendet. Aus den Koeffizienten aA,b1 A,... bnA werden durch ein-eindeutige Transformation in einem Umrechner 5 die Impedanzparameter selektiv für die Strombereiche berechnet.
Im Stromaufteiler 1 wird der hochpassgefilterte Strom je nach Vorzeichen und/oder seiner Amplitude einem spezifischen Strombereich zugeordnet. In Fig. 4 ist diese Aufteilungsfunktion F(l) beispielhaft für drei Strombereiche dargestellt. Erfindungsgemäß sind die Strombereiche gegenseitig überlappend, d.h. ein Strom kann auf zwei oder mehr Bereiche aufgeteilt werden (wie im Fig. 4 dargestellt), oder scharf von einander abgegrenzt. Um die Stromanteile 11 ,... , In, den Bereichen zugeordnet, zu erhalten, wird der Strom mit den Aufteilungsfunktionen F(l) der Strombereiche multipliziert.
Die Stromanteile 11 ,... , In werden im Kombinierer 2 jedem Abtastzeitpunkt k mit den Koeffizienten a,b1 ,... bn der Übertragungsfunktion multipliziert (Gl. 1 , Laufvariable n entspricht dem Index des Strombereichs).
U prog,k ~ ü ' ' U
<| J
Die Batterie wird so als M ISO-System (Multi In (11 ,... , In), Single Out (Uprog)) abgebildet. Jedem Strombereich n entsprechen somit zwei Koeffizienten bn,0, bn,1 der Übertragungsfunktion. Der Koeffizient a bildet die rückgeführte Spannung ab und ist damit strombereichsunabhängig durch Überlagerung mehrerer R-RC- Glieder.
Zu den Teilen 3 und 4: Die Berechnung einer Korrektur der Koeffizienten der Übertragungsfunktion im Anpasser 3 und eine Verzögerung der Koeffizienten um einen Zeitschritt im Speicher 4 sind beispielsweise unter der Bezeichnung „Recursive least Squares" bekannt.
Im Umrechner 5 werden den aus einzelnen Koeffizienten aA,b1 A,... bnA, entsprechend der jeweiligen Strombereiche (Strombereich n zugehörig), die realen Batterieimpedanzparameter zugeordnet, entsprechend der nachfolgenden Gleichungen 2 - 4 (Serienwiderstand für den Strombereich n entspricht Rn,2; Parallelwiderstand Rn,1 und Kapazität Cn,1 ).
*„.2 = (2)
Durch die Erfindung wird eine zuverlässige Bestimmung der Batterieimpedanz unter sämtlichen Betriebsbedingungen erreicht.
Claims
1. Verfahren zur Bestimmung und/oder Vorhersage der Hochstrombelastbarkeit einer Batterie, bei dem die Parameter eines Modells der Batterieimpedanz zugrunde gelegt und daraus die Hochstrombelastbarkeit der Batterie bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass für den Lade- und den Entladevorgang unterschiedliche Parameter zugrunde gelegt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass den Parametern des Modells der Batterieimpedanz für den Lade- und den Entladevorgang unterschiedliche Kennlinien zugeordnet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den gesamten Stromstärkebereich drei Parameterbereiche zugeordnet werden und dass diese Bereiche dem Ladevorgang, dem neutralen Zustand und dem Entladevorgang zugeordnet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den gesamten Stromstärkebereich mehr als drei Parameterbereiche zugeordnet werden, deren Grenzen jeweils durch Stromstärkewerte bestimmt sind.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameterbereiche überlappend sind.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameterbereiche nicht überlappend sind.
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