DE102010051008A1

DE102010051008A1 - Steuereinrichtung für einen Hybridantrieb

Info

Publication number: DE102010051008A1
Application number: DE102010051008A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Inf. Goede Stefan; Dr.-Ing. Hermsen Martin; Dipl.-Ing.(BA) Kipping Jan
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-11-10
Filing date: 2010-11-10
Publication date: 2012-05-10

Abstract

Eine Steuereinrichtung für einen Elektroantrieb für ein Fahrzeug, wobei der Elektroantrieb als Komponenten zumindest einen DC-DC-Wandler, einen Elektromotor und eine Batterie umfasst. Erfindungsgemäß ist die Steuereinrichtung so ausgelegt, dass zumindest eine relevante Kenngröße oder zumindest eine relevante Veränderung einer Kenngröße der Batterie dadurch bestimmt wird, dass die Komponenten des Elektroantriebs geeignet angesteuert werden. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Ansteuerung eines Elektroantriebs.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für einen Hybridantrieb nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art sowie ein Verfahren zur Ansteuerung eines Hybridantriebs gemäß Anspruch 6.
Bei der Realisierung eines reinen Elektroantriebs oder eines Hybridantriebs stellt die zugehörige HV-Batterie ist eine äußerst kostenintensive Komponente dar. Sie unterliegt in der Anwendung einer starken Alterung. Mit zunehmender Betriebs- und/oder Lebensdauer verändern sich Kenngrößen wie etwa die Kapazität oder der Innenwiderstand der Batterie. Die Erfassung und Bewertung der Alterungserscheinungen der Batterie ist notwendig, um einen zuverlässigen Betrieb eines Fahrzeugs mit einem derartigen Betrieb zu gewährleisten. Mit abnehmender Kapazität der Batterie reduziert sich die effektive Reichweite des Fahrzeugs mit einer Batterieladung. Die Bestimmung des aktuellen Ladezustands wird durch die sich ändernde OCV-Kennlinie ungenauer.
Für die Bestimmung eines momentanen Lade- bzw. Alterungszustandes einer Batterie wird für gewöhnlich der Zusammenhang zwischen der Leerlaufspannung (auch Ruhespannung, Ruheklemmenspannung oder Open Circuit Voltage – OCV-Spannung genannt) und der momentanen Kapazität der Batterie verwendet. Mit abnehmender/zunehmender Batteriekapazität sinkt/steigt die Leerlaufspannung der Batterie. Unter Kapazität wird vorliegend der nutzbare Ladungsdurchsatz der Batterie in einem vorgegebenen Spannungsbereich verstanden. Der Zusammenhang zwischen der OCV-Spannung und der Kapazität der Batterie kann als OCV-Kennlinie dargestellt werden. Bei einem Zyklieren (Be-/Entladen) einer Batterie findet eine Alterung der Batterie statt, aber auch alleine durch Zeitablauf (kalendarische Alterung) erfolgt eine Verschlechterung der Batterieeigenschaften. Diese Alterungsvorgänge sind in der OCV-Kennlinie erkennbar, das heißt der Zusammenhang zwischen der Batteriekapazität und der OCV-Spannung ändert sich. Infolge kann ohne eine erneute Aufnahme der vollständigen OCV-Kennlinie der Ladezustand anhand der OCV-Spannung nicht mehr exakt bestimmt werden. Dies ist insbesondere bei einem Einsatz der Batterie in einem Fahrzeug als Energiequelle problematisch. Ohne Kenntnis des genauen Ladezustands ist das Fahrzeugverhalten nicht mehr exakt vorhersagbar, insbesondere kann dies auch zu einem Liegenbleiben des Fahrzeugs aufgrund eines falsch angezeigten Ladezustands der Batterie führen.
Zur Bestimmung der Alterungseffekte einer Antriebsbatterie wird üblicherweise wie folgt vorgegangen: Die Batterie wird aus dem Fahrzeug ausgebaut und an einem Vermessungsprüfstand untersucht. Ist kein solcher Vermessungsprüfstand vorhanden, kann die Batterie auch zur Vermessstelle versandt werden. In jedem Fall ist ein Ausbau der Batterie notwendig. Dies ist sehr kostenintensiv und bedeutet in der Regel eine längere Unterbrechung der Fahrt. Zudem kann zwischen den Werkstattaufenthalten unbemerkt eine unerwünscht starke Veränderung der Batterieeigenschaften eintreten.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache und kostengünstige Weise zur Bestimmung des Alterungs- oder Ladezustands einer Traktionsbatterie anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Steuereinrichtung mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Die Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren mit den in Anspruch 6 genannten Merkmalen gelöst. Besonders bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Steuereinrichtung kann beispielsweise zur Bestimmung der Kapazität der Batterie eine OCV-Kennlinie der Batterie in einem aktuellen Zustand erfassen. Diese OCV-Kennlinie beziehungsweise Teile derselben werden beispielsweise bei einer Batterie, die in einem Fahrzeug eingesetzt wird, im Fahrbetrieb erfasst. Dabei ist nicht immer das Anfahren beliebiger OCV-Kapazitäts-Zustände möglich. Insbesondere sind Fahrprofile wahrscheinlich, in denen bestimmte Randbereiche nicht erreicht werden. Allerdings ist es zur Ermittlung der OCV-Kennlinie nötig, dass zumindest gelegentlich eine Bestimmung der Ruhespannung möglich ist.
Es wird durch die Steuereinrichtung ein alterungsunabhängigen Punkt in der OCV-Kennlinie ermittelt. Dabei kann die Steuereinrichtung beispielsweise die aktuell ermittelte OCV-Kennlinie mit einer früher gespeicherten OCV-Kennlinie vergleichen.
In der Umgebung des ermittelten alterungsunabhängigen Punktes wird durch die Steuereinrichtung ein Arbeitspunkt gewählt. Dieser kann mit einem beliebigen Abstand von dem alterungsunabhängigen Punkt positioniert werden.
Es wird der Ladungshub zwischen dem Arbeitspunkt und dem alterungsunabhängigen Punkt ermittelt. Dazu kann entlang der aktuell ermittelten OCV-Kennlinie die zugehörige Kapazität aufintegriert werden, um so den Ladungsdurchsatz beziehungsweise den Ladungshub zu ermitteln.
In gleicher Weise kann für die entsprechenden Punkte bei einer vorab gespeicherten OCV-Kennlinie verfahren werden. Der Vergleich der ermittelten Ladungshübe erlaubt dann eine Aussage über die erfolgte Alterung.
Somit kann die Steuereinrichtung im Betrieb, insbesondere bei einem Fahrzeug im Fahrbetrieb, eine Anpassung der OCV-Kennlinie „onboard” an die stattfindenden Alterungsvorgänge vorgenommen werden und die Zuverlässigkeit der Vorhersage der Ladekapazität der Batterie erhöht werden.
Dabei kann die Steuereinrichtung neben der relevante Kenngröße „OCV-Kennlinie” die Kapazität und/oder den Innenwiderstand der Batterie oder einer oder mehrerer Zellen der Batterie bestimmen.
Es kann alternativ oder zusätzlich die Veränderung einer relevanten Kenngröße, wie etwa eine Abnahme der Kapazität, eine Zunahme des Innenwiderstands und/oder eine Veränderung der OCV-Kennlinie bestimmt werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann ein mit einer derartigen Steuereinrichtung ausgestattetes Fahrzeugs als Batterieprüfstand und/oder Batterietestgerät verwendet werden. Dies bedeutet, dass Ausbau und gegebenenfalls Versendung der Batterie des Fahrzeugs überflüssig werden und die relevanten Kenngrößen der Batterie jederzeit zur Verfügung stehen. Diese können dann zur gegebenen Zeit ausgelesen und übermittelt werden. Somit kann eine kostengünstige Befunderhebung der kostenintensivsten Hybridkomponente mit einem vergleichsweise geringen Aufwand erfolgen. Insbesondere kann auch die Funktionalität der Steuereinrichtung Teil einer größeren Steuereinrichtung sein und muss nicht als separates Bauteil vorliegen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Steuereinrichtung und des Verfahrens ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert sind.
Dabei zeigen:
1 drei OCV-SOC-Kennlinien für verschiedene Alterungszustände einer Batterie;
2 drei OCV-Ladezustand-Kennlinien für drei unterschiedliche Alterungszustände;
3 vier OCV-SOC-Kennlinien für Batterien nach verschiedenen Alterungen;
4 ein OCV-Ladung-Diagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
5 zwei SOC-OCV-Kennlinien für Batterien mit unterschiedlichen Alterungszuständen;
6 die SOC-OCV-Kennlinien der 5 sowie eine Steigungsdifferenzkennlinie;
7 eine SOC-OCV-Steigungsdifferenzkennlinie sowie ein zugehöriges Steigungsintegral;
8/9 die Steigungsdifferenz und das Steigungsintegral der 7, jeweils ergänzt um Auswertungspunkte; sowie
10 ein OCV-SOC-Diagramm mit Kennlinien einer Batterie in verschiedenen Alterungszuständen; und
11 ein OCV-SOC-Diagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Vor der Beschreibung möglicher Ausführungsformen der Erfindung werden einige grundlegende Begriffe definiert werden. Unter einer OCV-Spannung wird die „Open Circuit Voltage” oder Klemmenspannung verstanden, die sich an einer unbelasteten Batterie bei t → ∞ einstellt. Der SOC („State of Charge”) ist der relative Ladezustand der Batterie und wird in der Regel in Prozent angegeben. Unter der OCV-Kennlinie wird die Kennlinie verstanden, die eindeutig einer OCV-Spannung einen zugehörigen Ladezustand zuordnet. Bei einer OCV-Rekalibrierung findet eine Bestimmung des SOC anhand der OCV-Kennlinie statt. Die Batteriekapazität bezeichnet den nutzbaren Ladungsdurchsatz der Batterie von 0–100% SOC. Die Messung der Kapazität einer Batterie kann im Labor durch Vermessung der entnehmbaren Strommenge durch Entladung bis zur Entladeschlussspannung erfolgen. Im Fahrzeug erfolgt hierzu die Bestimmung des Ladedurchsatzes zwischen zwei OCV-Punkten. Anschließend wird die SOC-Differenz auf die Gesamtkapazität hochskaliert. Dies entspricht einer Bestimmung der Steigung von ΔLadungsdurchsatz/ΔSOC(OCV). Zur OCV-Vermessung wird die OCV-Kennlinie durch Beobachtung der OCV-Spannung bei vollständiger Entladung der Batterie bestimmt.
Unter Bezugnahme auf die 1 bis 9 wird ein Verfahren zur Bestimmung der OCV-Kennlinie einer Batterie beschrieben, welches in der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung realisiert werden kann und Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ansteuerung eines Elektroantriebs sein kann. Dieses Verfahren kann einzeln oder in Kombination mit dem Verfahren, das unter Bezugnahme auf die 10 und 11 erläutert wird, in der beanspruchten Steuereinrichtung funktionell realisiert sein.
1 zeigt ein OCV-SOC-Diagramm, in dem OCV-Kennlinien für Batterien mit unterschiedlichen Alterungszuständen dargestellt sind. Folgende Alterungen der OCV-Kennlinie wurden beobachtet: Die OCV-Kennlinie bleibt im beobachteten Zeitraum nicht konstant. Die OCV-Kennlinie verschiebt sich erheblich am Arbeitspunkt. Randbereiche verändern sich kaum. Im Arbeitsbereich wurde eine Erhöhung der OCV-Spannung um ca. 1,5 gemessen. Damit ergeben sich Rekalibrierungsfehler von bis zu 8% SOC. In der 1 ist deutlich zu erkennen, wie sich mit zunehmender Alterung der Batterie die OCV-Kennlinie im Arbeitsbereich von ca. 30% SOC bis ca. 70% SOC in der dargestellten Pfeilrichtung verschiebt.
Neben der Alterung der OCV-Kennlinie findet auch eine Alterung der Kapazität C statt. Unter der Kapazität soll vorliegend der nutzbare Energiedurchsatz im vorgegebenen Spannungsbereich verstanden werden. Folgende Alterungen der Kapazität wurden beobachtet: Die Kapazität nimmt über die Alterung ab. Die Neukapazität einer HV-Lithium-Batterie als Energiequelle in einem Fahrzeug von beispielsweise 7 Ah steht nur eine sehr kurze Zeit (< 10 tkm) zur Verfügung. Die beobachteten Batterien pendeln sich auch bei hoher Kilometerleistung um 6,5 Ah ein. Kalendarisch vorgealterte Zellen verlieren erheblich schneller an Kapazität (5,5 Ah nach 30 tkm).
2 verdeutlicht diesen Zusammenhang. Die abgebildeten OCV-Ladezustand-Kennlinien wandern mit zunehmender Alterung in der 2 nach rechts und bieten somit einen geringeren Ladungshub je Spannungsbereich.
Die bezüglich der 1 und 2 beschriebenen Alterungseffekte laufen gleichzeitig kombiniert ab. Die Effekte scheinen nicht gekoppelt zu sein. Beide Effekte beeinflussen die Rekalibrierungsgenauigkeit und -häufigkeit erheblich.
4 zeigt vier unterschiedliche OCV-SOC-Kennlinien. Die mit „Kapazität und OCV-gealtert” bezeichnete Kennlinie stellt eine Kombination der beiden Alterungsvorgänge dar.
Es ist ein Gedanke der vorliegenden Erfindung, die Änderung der OCV-Kennlinie zu ermitteln und daraus einen Alterungsfaktor zu bestimmen, der den Verlauf der OCV-Kurve beschreibt.
Dazu wird die Abweichung der Steigung an bestimmten Punkten von der aktuell gültigen Kapazitäts-/OCV-Kennlinie bestimmt. Anhand des Ladungshubes zwischen diesen Punkten wird die erwartete Steigung (in V/As) bestimmt. Weicht die gemessene Steigung ab, liegt eine Änderung in der Kapazitäts- oder der OCV-Kennlinie vor. Dies ist schematisch in 4 veranschaulicht. Die gemessenen Punkte P1 und P2 liegen nicht auf der als bisherige Referenz herangezogenen Kapazitätskennlinie. Zwischen diesen beiden Punkten wird die Steigung ermittelt.
5 stellt ein SOC1-OCV-Diagramm dar. Dabei entspricht V/SOC1 dem Spannungshub für 100% Kapazität. In dem Diagramm der 5 sind zwei SOC1-OCV Kennlinien dargestellt. Diese Kennlinien entsprechen der Steigung der gemessenen OCV-Kennlinie. Die mit den Quadraten gekennzeichnete Steigungskennlinie entspricht der zuletzt ermittelten Steigung, während die mit den Rauten gekennzeichnete Kennlinie die neu gemessene Kennlinie darstellt. Wie aus 5 ersichtlich ist, verändert sich bei der OCV-Kennlinie die Steigung in den meisten Bereichen der nutzbaren Kapazität. Es gilt somit:
Dies ist in dem Bereich zwischen 123 V und 134 V deutlich sichtbar.
Es gibt aber auch Bereiche, in denen die OCV-Kennliniensteigung unveränderlich ist. Dort gilt:
Diese Bereiche erstrecken sich in den vorliegenden Beispielen zwischen 118 V und 122 V sowie zwischen 134 V und 136 V. Eine Steigungsänderung in diesen Bereichen beruht ausschließlich auf einer Kapazitätsänderung. Steigungsänderungen müssen somit immer in aussagekräftigen Bereichen gemessen werden.
6 zeigt die Steigung der OCV-Kennlinien der 5, ergänzt um die Steigungsdifferenz der beiden Steigungen. Die Steigungsänderung von neu zu alt der OCV-Kennlinie ist in allen Bereichen unterschiedlich:
In einem Bereich ist eine Zunahme der Steigung eine Alterung der OCV-Kennlinie. Dies ist vorliegend in dem Bereich zwischen 122 V und 128 V der Fall. In dem Bereich 128 V bis 134 V findet eine Abnahme der Steigung statt. Auch dies ist eine Alterung der OCV.
7 zeigt die Steigungsdifferenz der 6 und ist ergänzt um ein auf Null normiertes Steigungsintegral. Generell ist eine Messung der Steigung nur mit Minimalabstand der Messpunkte sinnvoll und hängt somit stark von der Genauigkeit der OCV-Messung ab. Messungen mit einem größeren Abstand zwischen den Messpunkten überstreichen einen Bereich der Kennlinie, in dem sich die Steigungsänderung erheblich verändern kann. Aus diesem Grunde kann bei der vorliegenden Erfindung eine sogenannte Flächenfunktion eingesetzt werden. Mit Hilfe dieser Flächenfunktion der Steigungsänderung kann mit einem nahezu beliebigem Abstand der Messpunkte die Steigung der OCV-Kennlinie oder der Kapazität zugeordnet werden. Die Flächenfunktion berechnet sich wie folgt:
Über die Flächenfunktion F_fl (OCV) der Steigungsänderung kann mit nahezu beliebigem Abstand der Messpunkte die Steigung der OCV-Kennlinie oder der Kapazität zugeordnet werden. Die Flächenfunktion ist dabei die von einem Nulldurchgang der Steigungsdifferenz auf integrierte Steigungsänderungskurve. Dabei lassen sich die folgenden zwei Fälle unterscheiden: Wenn F_U(P1) + F_U(P2) = 0 dann hat in dem betrachteten Bereich eine Kapazitätsänderung stattgefunden.
Wenn hingegen F_U(P1) + F_U(P2) > 0 gilt, dann hat sich die OCV-Kennlinie geändert. In allen anderen Fällen lässt sich aus dieser Betrachtung keine Aussage ableiten. Die beiden unterschiedenen Fälle werden nun im Folgenden detaillierter betrachtet.
8 zeigt in dem betrachteten Bereich von Punkt 1 zu Punkt 2 eine Kapazitätsänderung. Es gilt: F_U(P1) + F_U(P2) = 0
In diesem Bereich ist somit die OCV-Kennliniensteigung unveränderlich. Weicht die gemessene Steigung ab, liegt eine Änderung der Kapazität vor.
9 veranschaulicht das Beispiel einer OCV-Änderung.
Es gilt F_U(P1) + F_U(P2) > 0
Es gibt Bereiche, in denen die Änderung der OCV-Kennliniensteigung maximal ist. Weicht die gemessene Steigung ab, liegt eine Änderung der OCV-Kennlinie vor.
Zusammenfassend lässt sich der erfindungsgemäße Algorithmus wie folgt grob beschreiben:
Es wird die OCV-Kennlinie im Neuzustand der Batterie bestimmt (OCV neu).
Es wird die OCV-Kennlinie der gealterten Batterie bestimmt (OCV alt).
Es wird die Steigung der OCV-Kennlinien im neuen und im gealterten Zustand bestimmt:
Es wird die Steigungsdifferenz zwischen den beiden bestimmten Steigungskennlinien berechnet:
Es wird die Bewertungsfunktion berechnet:
Es wird der stattgefundene Alterungseffekt mittels zweier Messpunkte abgeleitet. Dabei gilt bei einer Kapazitätsänderung: F_U(P1) + F_U(P2) = 0 und bei einer OCV-Alterung: F_U(P1) + F_U(P2) > 0
In anderen Fällen lässt sich keine Aussage treffen.
Es werden die Ist- und die Soll-Stärken abgeglichen.
Die Kapazitäts-/OCV-Kennlinie wird nachgeführt.
Bei der Auslegung beziehungsweise Auswertung der F(OCV)-Kurve gelten folgende Prämissen: Die OCV-Kurve altert nicht linear und die genaue Kapazitätsbestimmung bei gealterter Batterie hat Priorität.
Grundsätzlich ist zu beachten, dass das vorgeschlagene erfindungsgemäße Verfahren stets mit Einzelzellspannungen arbeitet und als OCV-Referenz die vollständig gealterte Kennlinie dient.
Es wird nun die Erfindung unter erneuter Bezugnahme auf 4 beschrieben. Für die Berechnung des Ladungshubs beziehungsweise des Flächenintegrals werden immer zwei „sinnvolle” hohe Spannungen P1 und P2 betrachtet. Zwischen diesen beiden hohen Spannungen P1 und P2 wird der Ladungshub in Amperesekunden bestimmt. Danach wird die Steigung V/As zwischen P1 und P2 bestimmt. Die Abweichung der Steigung von der aktuell gültigen Kapazitäts-/OCV-Kennlinie wird bestimmt. Anhand eines Steigungsänderungsflächenintegrals wird der Einfluss auf die OCV- oder die Kapazitätsalterung bestimmt. Gütekriterien legen den tatsächlichen Einfluss auf die OCV-Alterung fest. Es wird die Güte des aktuellen OCV- und des Kapazitätszustands ermittelt.
Hinsichtlich der Auswahl von Messpunkten ist folgendes zu beachten: Es werden mehrere Punkte in einem Array gesammelt. Als Bedingungen für die Auswahl von Messpunkten ist zu beachten, dass die Spannung der geschätzten OCV-Spannung entspricht. Der Maximalstrom in der Vergangenheit lag unter einem Schwellwert. Ebenso muss ein tiefpassgefilterter Stromwert mit zwei verschiedenen Zeitkonstanten (beispielsweise 5 Sekunden und 60 Sekunden) unter einem Schwellwert liegen. Als Kenndaten der Messpunkte können beispielsweise herangezogen werden die geschätzte OCV-Spannung, die OCV-Güte, der Ladeintegralwert, der Ladungsdurchsatz seit Messung und die Zeit seit Messung.
Die gesammelten Messpunkte werden zyklisch analysiert. Dabei wird darauf geachtet, ob bei einem Punktepaar der SOC-Abstand genügend groß ist, die Summe der Flächenintegralwerte annähernd Null ergibt, das gleiche Vorzeichen und einen hohen Betrag hat und nicht veraltet sind. Zur Berechnung des Punktepaares wird die OCV-Steigung berechnet. Die Berechnung der OCV-Steigung ergibt sich aus der aktuell hinterlegten Kapazität und der OCV-Alterung. Bei einer deutlichen Abweichung und einem ausreichenden Vertrauen in das Paar in Kombination mit einer nicht ausreichenden Güte der hinterlegten Kapazität/OCV kann die Kapazität und/oder die OCV-Kennlinie nachgelernt werden. Bei keiner Abweichung wird die Güte für aktuelle Werte erhöht.
Bei der Verwaltung von Messpunkten wird der Punkt überschrieben, der von der Auswertung verwendet wurde, dessen Qualität unbrauchbar ist oder dessen SOC „uninteressant” ist. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn er nahe am AP liegt oder bereits viele ähnliche Punkte vorhanden sind. Es kann auch der Fall sein, dass kein Punkt überschrieben wird.
Die Messpunkte müssen folgende Bedingungen erfüllen: l_filt 5 sec < xA, l_filt 20 sec < xA, l < 0,3 A für 5 Sekunden und Batt_temp > 20°C.
Dabei wird der erste Punkt bestimmt und gespeichert, bevor die Schütze eingeschaltet werden.
Hinsichtlich des Abgleichs des Stromsensors haben Offset-Fehler im Strom einen großen Einfluss auf die Messgenauigkeit. Der Offset wird berechnet und berücksichtigt. Das Stromintegral wird nie rekalibriert. Tritt während der Fahrt bei gleicher OCV eine Abweichung des Stromintegrals auf, wird der Bewertungsfaktor des Stroms neu berechnet.
Als Sicherheitsmaßnahme wird die minimale/maximale Kapazität begrenzt. Die OCV-Alterung wird BLK-gestützt/begrenzt.
Zusammenfassend lässt sich das Verfahren zur Bestimmung der OCV-Kennlinie wie folgt beschreiben:

1) Betrachtet werden beliebige OCV-Kennlinien einer vorliegenden und/oder einer gleichartigen Batterie, wobei mindestens eine OCV-Kennlinie der einer neuen Batterie und eine andere OCV-Kennlinie einer gealterten Batterie entspricht.
2) Es wird der Verlauf der Steigung der OCV-Kennlinien der neuen und der vorliegenden Batterie ermittelt.
3) Es wird die Differenzkurve zwischen dem Verlauf der OCV-Steigungskurve der neuen und der vorliegenden Batterie gebildet. Diese Kurve stellt die Differenz zwischen den Steigungen der beiden OCV-Kurven dar.
4) Es wird der Nulldurchgang im mittleren Bereich des Verlaufs der Kurve gebildet.
5) Es wird ein beliebiger Arbeitspunkt links oder rechts des Nulldurchgangs ausgewählt.
6) Es wird der Strom integral zwischen dem Arbeitspunkt und dem Nulldurchgang gebildet.
7) Es wird das ermittelte Stromintegral mit dem gleichartig bei einer neuen Batterie ermittelten Stromintegral zwischen dem entsprechendem Arbeitspunkt und dem Nulldurchgang verglichen.
8) Es wird das Verhältnis dieser Integrale bestimmt.
9) Das Integral wird als Alterungsmerkmal gewählt.

Unter Bezugnahme auf die 10 und 11 wird nun ein Verfahren zur Bestimmung der Kapazität einer Batterie beschrieben, welches in der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung realisiert werden kann und Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ansteuerung eines Elektroantriebs sein kann.
10 veranschaulicht den Alterungsprozess einer Batterie. In dem dargestellten OCV-SOC-Diagramm sind verschiedene Kennlinien einer Batterie nach einer bestimmten Anzahl an Zyklen dargestellt. Wie deutlich erkennbar ist, verändert sich die OCV-SOC-Kennlinie während des Betriebs. Dabei existieren Bereiche, in denen sich die OCV-SOC-Kennlinie im Laufe des Zyklierens deutlich ändert, während Bereich existieren, in denen keine oder nahezu keine Veränderung der Kennlinie stattfindet. Bereich der letztgenannten Art sind beispielsweise zwischen 30 und 40 Prozent SOC sowie oberhalb von 80 Prozent SOC erkennbar.
Es kann nun auf die aktuelle tatsächliche Kapazität der Batterie aus mindestens zwei Messpunkten einer Kennlinie und einem Stromintegral über l(t) zwischen den Messpunkten rückgeschlossen werden. Dies erfolgt dadurch, dass zunächst eine Ruhespannungsphase OCV erkannt wird. Anschließend wird der Batteriestrom bis zu einer zweiten OCV-Ruhespannungsphase integriert. Die Batteriekapazität wird durch Teilen des Stromintegrals durch die OCV-Differenz berechnet.
11 veranschaulicht dieses Prinzip. An dem Punkt t1 wird eine erste Ruhespannungsphase (OCV) erkannt. Nachfolgend wird der Batteriestrom bis zu der zweiten Ruhespannungsphase an dem Punkt t2 integriert. Dies lässt sich durch folgende Formel veranschaulichen:
Die Berechnung der Kapazität C der Batterie erfolgt gemäß der Formel:
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dadurch verbessert werden, dass alterungsunabhängige OCV-Bereiche angefahren werden. Dies kann in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug beispielsweise dadurch erreicht werden, dass gezielt hohe Spannungsphasen während der Ladephase eingestellt werden, die in alterungsunabhängigen Bereichen liegen. Des Weiteren kann ein Mitloggen im Betrieb während Standzeiten erfolgen. Die Berechnung der Kapazität ohne Alterungseinfluss erfolgt dann anhand alterungsunabhängiger OCV-Punkte mittels des oben genannten Zusammenhangs.
Dieses Vorgehen bietet sich insbesondere bei Ladephasen in einem rein elektrisch angetriebenen Fahrzeug (EV) oder einem Plug-In an, da sich hier Lade- und Entladephase nicht abwechseln und dadurch Offset-Fehler bei der Strommessung weniger Einfluss auf das Stromintegral haben. Des Weiteren können, wie erwähnt, bestimmte OCV-Phasen durch gezieltes Einstellen von Ruhephasen (Strom = 0) eingestellt werden. Es können somit gezielt alterungsunabhängige Bereiche der OCV-SOC-Kurve verwendet werden, um die Batteriekapazität zu ermitteln.
Für die verbleibenden alterungsabhängigen Bereiche der OCV-SOC-Kennlinie kann der neue Verlauf dadurch ermittelt werden, dass neue Stützpunkte bestimmt werden. Diese können dadurch ermittelt werden, dass der Strom beginnend von einer alterungsunabhängigen OCV-Phase aufintegriert wird bis zu einer weiteren OCV-Phase. Nach der ermittelten Gesamtkapazität und dem Stromintegral zwischen den beiden OCV-Punkten kann der zweiten OCV-Phase der zugeordnete neue SOC-Wert zugeordnet werden. So kann Punkt für Punkt die gealterte OCV-SOC-Kennlinie „on board” bestimmt werden.
Bei einem Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Hybridfahrzeug können die gewünschten alterungsunabhängigen Punkte beispielsweise durch Beeinflussung der Lastpunktverschiebung zwischen der Batterie und dem Verbrennungsmotor angesteuert werden.
Hohe Spannungsphasen können auch bei geringen C-Raten über einen definierten Zeitbereich direkt aus der Zellspannung als Näherung rückgerechnet werden unter Berücksichtigung des Spannungsabfalles durch den ohmschen Innenwiderstand der Zelle (R·I), der Polarisations- und Diffusionsspannung (zeitabhängige Ausgleichsvorgänge bei Stromsprüngen) zum Beispiel durch PT1-Glieder als auch elektrischer Kapazitäten (C·du/dt).
Bei Ermittlung der Batteriekapazität über Key-Cycles hinweg im Fahrzeug muss bei der Ermittlung des Stromintegrals das Integral des Stromes für den Eigenverbrauch für das Batteriemanagementsystem der Batterie und der Selbstentladung der Batterie zu dem gemessenen Stromintegral addiert werden.
Durch die Erfindung ist eine bessere Nutzung der Batterie möglich, da keine Oberdimensionierung mehr notwendig ist. Eine Schädigung der Batterie durch Oberbeanspruchung kann vermieden werden. Insbesondere treten auch keine Momentensprünge im Fahrzeug auf. Bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen und bei Plug-Ins werden das Liegenbleiben der Fahrzeuge durch eine falsche Reichweitenbestimmung vermieden.
Zusammenfassend wird durch die beschriebenen Verfahren zu 1 bis 9 und zu den 10 und 11 ein Bestimmung der OCV-Kennlinie bzw. deren Veränderung sowie die Kapazität der Traktionsbatterie eines rein elektrisch angetriebenen oder eines Hybridfahrzeugs ermöglicht. Dies erlaubt somit zusammen mit bekannten Verfahren zur Bestimmung des Innenwiderstands der Traktionsbatterie eine weitgehend vollständige Charakterisierung derselben „on-board”, d. h. im Betrieb des Fahrzeugs ohne Ausbau der Batterie. Die so ermittelten Daten entsprechen denen, die mithilfe eines Batterieprüfstands bzw. -testgeräts ermittelt werden. Es stehen somit alle relevanten Daten während des Betriebs bereit und müssen nicht auf kostenintensive Weise durch einen Ausbau der Batterie ermittelt werden, was einen Werkstattaufenthalt und somit eine längere Unterbrechung der Nutzungsmöglichkeit des Fahrzeugs zur Folge hätte.

Claims

Steuereinrichtung für einen Elektroantrieb für ein Fahrzeug, wobei der Elektroantrieb als Komponenten zumindest einen DC-DC-Wandler, einen Elektromotor und eine Batterie umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung so ausgelegt ist, dass zumindest eine relevante Kenngröße oder zumindest eine relevante Veränderung einer Kenngröße der Batterie dadurch bestimmt wird, dass die Komponenten des Elektroantriebs geeignet angesteuert werden.
Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug ein Hybridfahrzeug ist, das einen Verbrennungsmotor aufweist.
Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die relevante Kenngröße eine OCV-Kennlinie, eine Kapazität und/oder einen Innenwiderstand der Batterie oder einer oder mehrerer Zellen der Batterie umfasst.
Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der relevanten Kenngröße eine Abnahme der Kapazität, eine Zunahme des Innenwiderstands und/oder eine Veränderung der OCV-Kennlinie umfasst.
Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung im Fahrbetrieb erfolgt.
Verfahren zur Ansteuerung eines Elektroantriebs, umfassend die Schritte: – Ansteuern einer oder mehrerer Komponenten des Elektroantriebs; und – Bestimmen einer oder mehrerer Kenngrößen oder Veränderungen von Kenngrößen einer Batterie, wobei das Ansteuern der Komponenten des Elektroantriebs derart erfolgt, dass das Bestimmen ermöglicht wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen im Fahrbetrieb erfolgt und/oder der Elektroantrieb Teil eines Hybridantriebs ist.
Verwendung eines Fahrzeugs mit einer Steuereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 als Batterieprüfstand und/oder Batterietestgerät.