Impedance-based battery monitoring

Transkript

1 Impedance-based battery monitoring Von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation Diplom-Ingenieur (FH) Oliver Sven Bohlen aus Zweibrücken Berichter: Professor Dr. rer. nat. Dirk Uwe Sauer Universitätsprofessor Dr. ir. Rik W. De Doncker Universitätsprofessor Dr.-Ing. Dr. med. Steffen Leonhardt Tag der mündlichen Prüfung:

2

3 Oliver Bohlen Impedance-based battery monitoring

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008 AACHENER BEITRÄGE DES ISEA Herausgeber: Univ.-Prof. Dr. ir. Rik W. De Doncker Leiter des Instituts für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe der RWTH Aachen (ISEA) Aachen D 82 (Diss. RWTH Aachen) Copyright Shaker Verlag 2008 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN X Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Flat battery? said Arthur. No, said Ford, there is a moving disturbance in the fabric of space-time, an eddy, a pool of instability, and it s somewhere in our vicinity. Douglas Adams: Life, the Universe, and Everything [1] Vorwort Nicht nur das Verhalten von Batterien ist manchmal schwer vorauszusagen. Ich hätte nicht gedacht, dass ich mich mit diesem Thema einmal etliche Jahre lang befassen würde, und noch weniger, dass es mich dazu nach Aachen ins Rheinland ohne Rhein verschlagen würde. Trotzdem kam ich im Frühjahr 2001 an das Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) der RWTH Aachen. Dort entstand die vorliegende Arbeit während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter. Prof. Dirk Uwe Sauer verdanke ich das Thema Energiespeicher, das zwar mich einige Nerven und einigen Batterien das Leben gekostet hat, sich aber nicht zuletzt dank seiner ausgezeichneten fachlichen Betreuung als Glücksfall für mich herausstellte. Prof. De Doncker gab mir als Institutsleiter die Möglichkeit, am ISEA zu arbeiten und zu lernen; dafür und für die Übernahme des Korreferats bin ich ihm zu Dank verpflichtet. Prof. Leonhardt gilt mein Dank für das gründliche und kritische Lesen meiner Arbeit als Korreferent. Bedanken möchte ich mich auch bei meinen Kollegen Julia Kowal, Thomas Plum, Marc Thele und Tilman Sanders für das Korrekturlesen der Arbeit und die wertvollen Anregungen. Besonderer Dank gilt allen Hiwis, Studien- und Diplomarbeitern, die ich während meiner Zeit am ISEA betreuen durfte und von denen ich einiges lernen konnte. Insbesondere Holger Blanke, Holger Weber, Knut Kasper, Jens Oesterdiekhoff, Christian Linnemann und Christian Scharwächter haben dabei wesentlich zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen. Holger Blanke war über seine Diplomarbeit hinaus jahrelang eine unentbehrliche Unterstützung im Labor. Die Jahre am ISEA waren eine bereichernde und gute Zeit, sei es in fachlicher Diskussion mit und ohne Kaffee, im Labor oder am Kicker, im Hörsaal oder beim Wasserski. Ich durfte lernen wie man Batterien und Messtechnik testet, was Fastelovend und Puffel sind, wie man den Lousberglauf und die PESC04 übersteht, Schaltnetzteile und PPT- Präsenstationen baut und vieles mehr. Dafür möchte ich allen Kollegen danken, die für dieses spezielle Miteinander gesorgt haben. Ganz besonders gilt dies für die Batteriegruppe, die natürlich beste Randgruppe des ISEA. Meinen Eltern möchte ich an dieser Stelle danken, dass Sie mich stets unterstützt haben, das zu tun, an dem ich Freude habe. Schließlich möchte ich ganz besonders meiner Frau Anja danken, die nicht nur die unzähligen Formelzeichen kontrolliert hat, sondern auch die wechselnden Launen eines Promovierenden ertragen durfte und mich oft genug mit Motivation und Keksen versorgte. München, den 29. Juli 2008

6

7 i Contents 1 Introduction 1 2 Impedance spectroscopy Fundamental concept Nonlinearity Spectralanalysis DiscreteFourieranalysis TheGoertzelalgorithm Measurementinstrumentation Measurementprocedure Visualizationofthemeasurementresults Validation of the measurement Impedancemodels Determination of model parameters Electrochemical storage devices Electrochemical double-layer capacitor The electrochemical double layer EDLCdesign ImpedancemodelofanEDLC Selfdischarge Lead-acidbattery Chemistryofthelead-acidbattery Potential in thermodynamic equilibrium Dynamiccellvoltage Impedancemodelofthelead-acidbattery Battery diagnostic and monitoring Definitions Batterystate Batterycapacity Stateofcharge Stateoffunction Stateofhealth Literaturesurvey... 51

8 ii Contents 5 Lab-based impedance analysis MonitoringstateofhealthofEDLCs ExperimentalstudyofEDLCageing Heuristicageingmodel Directparameterestimation Pulsepowerperformanceoflead-acidbatteries Batteryimpedancemodelfordischargepulses Parameterisationoftheimpedancemodel Simplified prognosis for discharge pulses Algorithms for on-board monitoring Requirementsandenvironment Signalsandnoise Measurementinstrumentation Impedance measurements in automotive monitoring systems Passive impedance measurement technique Measurement principle Influence of the spectrum of the input signal Determination of the effective frequency Filtering Example Accuracy Validation and selection of measured data Comparisonwithothermeasurementmethods Self-adaptingcharacteristicmaps Basicalgorithm Characteristicmapasalook-uptable Characteristicmapasapolynomialapproximation Impedance-based battery monitoring in automotives MonitoringofEDLCsinvehicles Monitoringsystem Measurementalgorithm Measurementresults Cranking capability prognosis for lead-acid batteries Crankingcurrentprofile Measurementalgorithm Monitoringsystem Measurementresults Summary and future perspectives 145 Bibliography 149

9 Contents iii Appendix 165 A.1 Literaturesurvey A.2 Crankingofacombustionengine A.3 Listofsymbols A.4 Listofconstants A.5 Listofabbreviations A.6 DeutscheZusammenfassung A.7 Lebenslauf...190