Beschreibung

Verfahren und System zum Bestimmen des Ersatzwiderstandes eines Energiespeichers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Bestimmen des Ersatzwiderstandes eines Energiespeichers, insbesondere eines Energiespeichers für ein Hybridfahrzeug.

Bei Energiespeichern (elektrische Energie) für z.B. Hybridfahrzeuge im Automobil oder bei Straßenbahnen und Zügen ist eine permanente überwachung und Diagnose des Energiespeichers, insbesondere der darin verbauten Zellen sicher zu stellen, um einen technisch einwandfreien und für Menschen gefahrlosen Betrieb zu gewahrleisten.

Dazu ist es von entscheidender Bedeutung, den Ersatzwiderstand (ESR = Equivalent Series Resistance) der eingesetzten Zellen zu ermitteln und dessen Verlauf zu bewerten, da dieser Aufschluss über den Zustand und die Lebensdauer des Energiespeichers gibt.

Bisher wurde versucht über einen Lastsprung (Holland Methode) den ESR zu ermitteln. Diese Methode stellt jedoch sehr hohe Anforderungen an die zeitliche Auflosung der zu erfassenden

Messwerte, so wie die Auswertung der Signale und liefert deshalb unzuverlässige Ergebnisse.

Eine weitere Möglichkeit den ESR zu bestimmen ist die Impe- danzspektroskopie . Diese ist jedoch nur unter sehr großem

Aufwand auf einem Steuergerat zu implementieren und wird deshalb vor allem im Labor und/oder in der Produktion eingesetzt .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Ersatzwiderstand eines Energiespeichers auf einfache Weise zu bestimmen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst .

Der Ersatzwiderstand des Energiespeichers wird hierbei aufgrund der Energiebilanz beim Laden und/oder Entladen des E- nergiespeichers bestimmt.

Vorteilhafter Weise wird der zeitliche Verlauf von Strom und Spannung, sowie Temperatur an der Zelle messtechnisch er- fasst. Zusätzlich oder auch alternativ kann bei beliebiger Verschaltung solcher Energiespeicher (z.B. seriell oder parallel) die Gesamtspannung der Anordnung erfasst werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der schematischen Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild eines Energiespeichers,

Figur 2 ein Beispiel eines Stromverlaufs und Spannungsverlaufs in Abhängigkeit von der Zeit, und

Figur 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemä- ßen Systems.

Figur 1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Elements, insbesondere eines Energiespeichers 1. Dieses weist eine Kapazität C und einen Ersatzwiderstand R _ESR auf.

Der zeitliche Verlauf von Strom I durch den Energiespeicher 1 und die über dem Energiespeicher 1 abfallende Spannung U _Ce ii _/ sowie die Temperatur 3 des Energiespeichers 1 werden messtechnisch erfasst. Zusätzlich oder alternativ kann bei belie- biger Verschaltung solcher Energiespeicher (z.B. seriell oder parallel) die Gesamtspannung der Anordnung erfasst werden. Bei dem Energiespeicher 1 kann es sich insbesondere um einen

Lithium-Ionen- oder auch um einen Lithium-Polymer-Akkumulator handeln .

Die Energiebilanz bezüglich des vereinfachten Ersatzschalt- bildes nach Figur 1 lautet wie folgt:

F — F + F M )

wobei sich die Energie E _Ce ii des Energiespeicher 1 aus der E- nergie E ₀ des Kondensators C und der vom Ersatzwiderstand R _ESR aufgenommenen Energie E _ESR zusammensetzt.

Die Energie E _Ce ii die von dem Energiespeicher 1 aufgenommen wird ergibt sich gemäß:

Ec,,,= ) »« _/ (») ^■ i(t)dt (2) , h wobei Uc _e ii(t) die über dem Energiespeicher 1 abfallende Spannung Uc _e ii als Funktion der Zeit ist und i (t) der in oder aus der Zelle fließende Strom I als Funktion der Zeit ist. Die Zeitpunkte to und ti stellen den Beginn bzw. das Ende des Messintervalls dar.

Hierbei wird die Energie E ₀ vom Kondensator C aufgenommen:

wobei C (Ui, 9), C (Uo, 9) die Kapazität des Kondensators C als Funktion der Spannungen Ui, Uo und der Temperatur 9 ist.

Die Energie E _ESR wird vom Ersatzwiderstand R _ESR aufgenommen:

Ineinander eingesetzt und nach dem Ersatzwiderstand R _ESR aufgelöst ergibt sich folgende Gleichung:

- U ₁ ² - C(U , ,S)U, ² >

Für die Messung der zum Einsetzen in die Formel (5) benötig- ten Werte ist es vorteilhaft, wenn bestimmte Vorraussetzungen erfüllt sind, die den Verlauf des Stroms I betreffen. Dies wird im Folgenden anhand des Ersatzschaltbildes nach Figur 1 näher erläutert.

Je weniger Strom I durch den Energiespeicher 1 fließt, desto weniger Spannung U _ESR fällt auch an dem Ersatzwiderstand R _ESR ab. Dadurch ist die gemessene Spannung U _Ce ii ~ U _c (U _Ce ii = U _c + UE _S R mit UE _S R ~> 0, Einfluss von R _ESR wird verringert) .

Werden die Zeitpunkte to und ti (vgl. Figur 2), die den Beginn und das Ende eines für die Bestimmung des Ersatzwiderstands R _ESR geeigneten Messintervalls darstellen, günstig gewählt, z.B. bei Io < Trh ₀ bzw. Ii < Trhi (diese Schwellwerte Trh ₀ und Trhi können auch gleich groß sein) , so kann durch diese Maß- nähme die Genauigkeit des Ergebnisses gegenüber einem beliebig gewählten Messintervall verbessert werden.

Wird das Messintervall entsprechend to ^' und ti ^' gewählt, entsteht ein Spannungsabfall am Ersatzwiderstand R _ESR , der die Messung der gewünschten Größe U _c "verfälscht" (U _Ce ii = U _C +U _ES R) •

Figur 2 zeigt den Verlauf von Strom I und Spannung U an dem Energiespeicher 1 als Funktion der Zeit t. Zunächst wird der in den Energiespeicher fließende Strom I zum Zeitpunkt to von Null auf einen maximalen Strom I _Max erhöht. Der Strom I _Max wird im Zeitpunkt to' erreicht. Anschließend wird der Strom I wei- testgehend konstant auf dem maximalen Stromwert I _Max gehalten. Zum Zeitpunkt ti' wird der Strom I dann wieder auf ungefähr Null reduziert. Der Wert Null wird im Zeitpunkt Tl erreicht. Zwischen den Zeitpunkten to und ti wird der Energiespeicher aufgeladen. Die über dem Speicher abfallende Spannung U steigt während dieser Zeitspanne von Uo auf U _Ma χ an.

Figur 2 zeigt ein Beispiel für ein günstig (bei to und ti) und ein weniger günstig (bei to ^' und ti ^' ) gewähltes Messintervall.

Für die Bestimmung der Energie E ₀ die am Kondensator C gespeichert wird ist es weiter vorteilhaft, wenn ein möglichst hoher Spannungsunterschied zwischen Uo und Ui durch einen Lade- bzw. Entladevorgang entsteht. Dies ist der Fall, wenn ei- h ne entsprechend große Ladungsdifferenz AQ-\i(t)dt entsteht. k

Die optionale Messung der Gesamt- oder Teilspannung eines E- nergiespeichers, d.h. einer Reihen- und/oder Parallelschaltung mehrerer Energiespeicher 1, ermöglicht zusätzlich eine Bestimmung eines Gesamt- oder Teilwiderstandes, der wiederum zur Plausibilisierung der für die einzelnen Zellen ermittelten Werte für den Ersatzwiderstand R _ESR herangezogen werden kann .

Dieses Verfahren zur Bestimmung des Ersatzwiderstandes R _ESR bringt eine Vielzahl von Vorteilen mit sich. Zum einen wird durch eine zuverlässige Ermittlung des Ersatzwiderstands R _ESR eine Anpassung der Betriebsstrategie möglich, durch die eine möglichst lange Lebensdauer des Energiespeichers erreicht werden kann. Es können aufgrund des ermittelten Ersatzwider- Standes R _ESR die Lade- und Entladezyklen des Energiespeichers 1 angepasst werden. Weiter kann auch eine Last, insbesondere der Antriebsstrang eines Hybridfahrzeugs, in Abhängigkeit von dem ermittelten Ersatzwiderstand R _ESR gesteuert oder geregelt werden. Beispielsweise kann aufgrund des ermittelten Ersatz- Widerstandes R _ESR von einem elektromotorischen Betrieb des

Hybridfahrzeugs auf einen Betrieb über eine Brennkraftmaschine umgeschaltet werden. Weiter kann eine Last L, die bei einem Bremsvorgang als Generator betrieben wird und Bremsenergie zurückgewinnt, aufgrund des ermittelten Ersatzwiderstand R _ESR gesteuert werden.

Zum anderen kann rechtzeitig auf mögliche Gefahren durch den sich zu schnell erhöhenden Ersatzwiderstand R _ESR hingewiesen werden, wodurch die Diagnosefahigkeit verbessert wird. So kann bei erreichen eines maximal zulassigen Ersatzwiderstan- des R _ESR , M _a x ein Fehler e in einen Fehlerspeicher E geschrieben werden (Figur 3) .

Zur Bestimmung des Ersatzwiderstandes R _ESR sind keine weiteren Sensoren bzw. keine zusatzlichen Bauteile notig. Es werden nur Signale verwendet die sowieso beim Betrieb eines Energiespeichers ermittelt werden (Zellspannungen, Strom und Temperatur) .

Figur 3 zeigt ein erfindungsgemaßes System. Dieses weist eine Recheneinheit RE mit drei Eingangen für den Strom I, die Spannung U _Ce ii und die Temperatur 3 des Energiespeichers 1 auf. Die Recheneinheit RE bestimmt aufgrund der Eingangsgroßen Strom I, Spannung U _Ce ii und der Temperatur 3 des Energiespeichers den Ersatzwiderstand R _ESR und übermittelt diesen an ein Steuergerat ST. Die Großen I, U _Ce ii und 3 können in dem

Steuergerat als zeitvariable Großen i (t) , u(t) und & (t) verarbeitet werden.

Das Steuergerat ST steuert und/oder regelt eine Last L über ein Steuersignal s. Dieses Steuersignal s ist von dem Ersatzwiderstand des Energiespeichers 1 abhangig. Das Steuersignal s kann auch von weiteren Parametern p, insbesondere den Betriebsparametern der Last oder einer Brennkraftmaschine, abhangig sein.

übersteigt der ermittelte Ersatzwiderstand R _ESR einen vorbestimmten oder aufgrund von Parametern berechneten Schwellwert R _ESR ,M _a x _/ so kann ein Fehler e in einen Fehlerspeicher E geschrieben werden.