DE102020212193A1 - Method and device for monitoring at least one battery cell of a battery - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen mindestens einer Batteriezelle (21-x) einer Batterie (20), wobei mittels mindestens einer Sensorik (2-x) eine Spannung und ein Strom zeitaufgelöst an der mindestens einen Batteriezelle (21-x) erfasst werden, wobei mittels eines Batteriezellenmodells (10-x) aus der erfassten Spannung und dem erfassten Strom ein Batteriezellenzustand (22-x) geschätzt wird, wobei der geschätzte Batteriezellenzustand (22-x) überwacht wird, und wobei zumindest das Bereitstellen des Batteriezellenmodells (10-x) und das Schätzen des Batteriezellenzustands (22-x) der mindestens einen Batteriezelle (21-x) mittels mindestens eines feldprogrammierbaren Gatterfeldes (4) durchgeführt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (1) zum Überwachen mindestens einer Batteriezelle (21-x) einer Batterie (20).The invention relates to a method for monitoring at least one battery cell (21-x) of a battery (20), a voltage and a current being recorded in a time-resolved manner at the at least one battery cell (21-x) by means of at least one sensor system (2-x), wherein a battery cell condition (22-x) is estimated from the detected voltage and the detected current by means of a battery cell model (10-x), wherein the estimated battery cell condition (22-x) is monitored, and wherein at least the provision of the battery cell model (10-x ) and the battery cell state (22-x) of the at least one battery cell (21-x) is estimated by means of at least one field-programmable gate array (4). The invention also relates to a device (1) for monitoring at least one battery cell (21-x) of a battery (20).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen mindestens einer Batteriezelle einer Batterie.The invention relates to a method and a device for monitoring at least one battery cell of a battery.

Im Zuge einer fortschreitenden Elektromobilität und einer steigenden Anzahl von Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen kommen immer mehr Batterien, insbesondere Hochvoltbatterien, zum Einsatz. Die Batterien umfassen in der Regel mehrere Batteriezellen. Batteriezellen unterliegen einer zyklischen sowie kalendarischen Alterung. Die Betriebsweise einer Batterie zeichnet sich durch eine fortlaufende Entladung sowie Aufladung aus. Bei dieser Zyklisierung treten chemische Komponenten an Grenzschichten im Zuge des Ladungsaustausches in Wechselwirkung miteinander. Diese Wechselwirkungen äußern sich in Zersetzungsreaktionen, welche die Grenzschichten der Zelle, aber auch den Elektrolyten verändern sowie die Zahl der leitfähigen Ionen verringern können. Unabhängig von einer Zyklisierung können auch Zersetzungsreaktionen auftreten, welche ihre Auswirkungen mit fortlaufender Zeit, also kalendarisch zeigen. Im Ergebnis führen diese Zersetzungsreaktionen zu einer gealterten Batteriezelle, welche bezüglich eines Klemmenverhaltens veränderte elektrische Zeitkonstanten aufweist.As electromobility progresses and the number of electric vehicles and hybrid vehicles increases, more and more batteries, especially high-voltage batteries, are being used. The batteries usually include multiple battery cells. Battery cells are subject to cyclic and calendar aging. Battery operation is characterized by continuous discharging and charging. During this cyclization, chemical components at boundary layers interact with one another in the course of charge exchange. These interactions are expressed in decomposition reactions that can change the boundary layers of the cell, but also the electrolyte and reduce the number of conductive ions. Decomposition reactions can also occur independently of a cyclization, which show their effects over the course of time, i.e. on a calendar basis. As a result, these decomposition reactions lead to an aged battery cell, which has changed electrical time constants with regard to a terminal behavior.

Eine besonders gravierende Fehlfunktion einer Batterie ist das thermische Durchgehen (engl. thermal runaway). Das Thermische Durchgehen von Batteriezellen äußert sich in einer starken exothermen Zellreaktion, die eine sehr hohe Hitzeentwicklung zur Folge hat und ein ganzes Batteriepaket und die Batterie umgebende Teile eines Fahrzeugs beschädigen kann. Eine präzise Vorhersage eines thermischen Durchgehens ist daher wünschenswert.A particularly serious malfunction of a battery is thermal runaway. The thermal runaway of battery cells manifests itself in a strong exothermic cell reaction, which results in very high heat generation and can damage an entire battery pack and the parts of a vehicle surrounding the battery. Accurate prediction of thermal runaway is therefore desirable.

Es sind feldprogrammierbare Gatterfelder bekannt, welche auch als programmierbares Logikgatter (engl. Field Programmable Gate Array, FPGA) bezeichnet werden. Die feldprogrammierbaren Gatterfelder zeichnen sich dadurch aus, dass eine logische Gatteranordnung im Feld programmiert werden kann. Anders ausgedrückt kann eine logische Schaltung in Hardware programmiert werden. Durch eine parallele Struktur können die programmierbaren Gatterfelder sehr energieeffizient große Datenmengen in einer kurzen Zeit verarbeiten. Seit kurzem gibt es feldprogrammierbare Gatterfelder, die sich auch teilweise während der Laufzeit umkonfigurieren lassen.Field-programmable gate arrays are known, which are also referred to as programmable logic gates (Field Programmable Gate Array, FPGA). The field-programmable gate arrays are characterized in that a logical array of gates can be programmed in the field. In other words, a logic circuit can be programmed in hardware. Due to a parallel structure, the programmable gate arrays can process large amounts of data in a short time in a very energy-efficient manner. Field-programmable gate arrays, which can also be partially reconfigured during runtime, have recently been available.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen mindestens einer Batteriezelle einer Batterie zu schaffen, mit denen insbesondere ein Batteriezellenzustand verbessert geschätzt und überwacht werden kann.The invention is based on the object of creating a method and a device for monitoring at least one battery cell of a battery, with which in particular a battery cell state can be better estimated and monitored.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The object is achieved according to the invention by a method having the features of patent claim 1 and a device having the features of patent claim 10 . Advantageous configurations of the invention result from the dependent claims.

Insbesondere wird ein Verfahren zum Überwachen mindestens einer Batteriezelle einer Batterie zur Verfügung gestellt, wobei mittels mindestens einer Sensorik eine Spannung und ein Strom zeitaufgelöst an der mindestens einen Batteriezelle erfasst werden, wobei mittels eines Batteriezellenmodells aus der erfassten Spannung und dem erfassten Strom ein Batteriezellenzustand geschätzt wird, wobei der geschätzte Batteriezellenzustand überwacht wird, und wobei zumindest das Bereitstellen des Batteriezellenmodells und das Schätzen des Batteriezellenzustands der mindestens einen Batteriezelle mittels mindestens eines feldprogrammierbaren Gatterfeldes durchgeführt wird.In particular, a method for monitoring at least one battery cell of a battery is provided, a voltage and a current being detected in a time-resolved manner at the at least one battery cell using at least one sensor system, a battery cell state being estimated from the detected voltage and the detected current using a battery cell model , wherein the estimated battery cell condition is monitored, and wherein at least the providing of the battery cell model and the estimation of the battery cell condition of the at least one battery cell is performed by means of at least one field-programmable gate array.

Ferner wird insbesondere eine Vorrichtung zum Überwachen mindestens einer Batteriezelle einer Batterie geschaffen, umfassend mindestens eine Sensorik, eingerichtet zum zeitaufgelösten Erfassen einer Spannung und eines Stroms an der mindestens einen Batteriezelle, eine Recheneinrichtung mit einem Speicher, und mindestens ein feldprogrammierbares Gatterfeld, wobei das mindestens eine feldprogrammierbare Gatterfeld dazu eingerichtet ist, mittels eines Batteriezellenmodells aus der erfassten Spannung und dem erfassten Strom einen Batteriezellenzustand der mindestens einen Batteriezelle zu schätzen, und wobei das mindestens eine feldprogrammierbare Gatterfeld und/oder die Recheneinrichtung dazu eingerichtet sind, den geschätzten Batteriezellenzustand zu überwachen.Furthermore, in particular a device for monitoring at least one battery cell of a battery is created, comprising at least one sensor system set up for the time-resolved detection of a voltage and a current at the at least one battery cell, a computing device with a memory, and at least one field-programmable gate array, the at least one field-programmable gate array is set up to estimate a battery cell state of the at least one battery cell using a battery cell model from the detected voltage and the detected current, and wherein the at least one field-programmable gate array and/or the computing device are set up to monitor the estimated battery cell state.

Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen es, einen Batteriezellenzustand mindestens einer Batteriezelle einer Batterie zeitaufgelöst zu schätzen und zu überwachen. Das Schätzen des Batteriezellenzustands erfolgt hierbei mittels mindestens eines feldprogrammierbaren Gatterfeldes. Das mindestens eine feldprogrammierbare Gatterfeld verwendet hierzu ein Batteriezellenmodell der zu überwachenden Batteriezelle bzw. stellt ein solches bereit. Insbesondere ist das mindestens eine feldprogrammierbare Gatterfeld derart konfiguriert, das Batteriezellenmodell bereitzustellen und den Batteriezellenzustand ausgehend von einer mittels einer Sensorik erfassten Spannung und einem erfassten Strom mittels des Batteriezellenmodells zu schätzen. Das Batteriezellenmodell stellt insbesondere ein digitales Abbild der Batteriezelle dar, in dem ein Verhalten der Batteriezelle im Zeitverlauf abgebildet und überwacht werden kann. Das Bereitstellen des Batteriezellenmodells umfasst insbesondere das Bereitstellen und Anwenden einer Funktionalität des Batteriezellenmodells, sodass ausgehend von der zeitaufgelöst erfassten Spannung und dem zeitaufgelöst erfassten Strom ein Batteriezellenzustand mittels des feldprogrammierbaren Gatterfeldes geschätzt werden kann.The method and the device make it possible to estimate and monitor a battery cell state of at least one battery cell of a battery in a time-resolved manner. In this case, the battery cell state is estimated by means of at least one field-programmable gate array. For this purpose, the at least one field-programmable gate array uses or provides a battery cell model of the battery cell to be monitored. In particular, the at least one field-programmable gate array is configured to provide the battery cell model and to estimate the battery cell state based on a voltage detected by a sensor and a detected current using the battery cell model. In particular, the battery cell model represents a digital image of the battery cell, in which the behavior of the battery cell over time can be mapped and monitored. The provision of the battery cell model includes in particular the provision and application of a functionality of the Bat tery cell model, so that a battery cell state can be estimated by means of the field-programmable gate array based on the time-resolved detected voltage and the time-resolved current detected.

Ein Vorteil der Verwendung eines feldprogrammierbaren Gatterfeldes ist, dass eine Signalauswertung, das heißt eine Auswertung der erfassten Spannung und des erfassten Stroms, ohne verarbeitungsbedingter Verzögerung, insbesondere in Echtzeit, mit einer hohen Abtastrate (MHz) durchgeführt werden kann. Dies ermöglicht es, den Batteriezellenzustand ebenfalls ohne Verzögerung, insbesondere in Echtzeit, zu schätzen. Ein Überwachen der Batteriezelle kann hierdurch verbessert durchgeführt werden. Insbesondere kann in der Folge besonders schnell auf mögliche Fehler in der Batteriezelle reagiert werden.An advantage of using a field-programmable gate array is that a signal evaluation, ie an evaluation of the detected voltage and the detected current, can be carried out without a processing-related delay, in particular in real time, with a high sampling rate (MHz). This makes it possible to estimate the battery cell condition without delay, especially in real time. As a result, monitoring of the battery cell can be carried out in an improved manner. In particular, it is then possible to react particularly quickly to possible faults in the battery cell.

Durch die parallele Signalverarbeitung eines feldprogrammierbaren Gatterfeldes kann dieses insbesondere auch hochfrequent (-MHz) abgetastete Wechselgrößen verarbeiten, wie diese an Klemmen der Batteriezellen in einem Fahrzeug aufgrund verschiedener Verbraucher (z.B. Antriebsumrichter, Niedervolt-Gleichspannungswandler etc.) entstehen. Durch die hochfrequente Abtastung lassen sich Abtast- bzw. Aliasing-Effekte als Störgrößen im Signal reduzieren. Eventuelle Rauschanteile der Sensorik können im feldprogrammierbaren Gatterfeld digital gefiltert werden, sodass ein sehr großes Signal-Rausch-Verhältnis für die digitale Weiterverarbeitung bereitgestellt werden kann. Im Vergleich dazu ist ein Mikrocontroller (z.B. DSP) deutlich weniger geeignet, um hochfrequente Signale zu verarbeiten, da die erfassten Werte des DSP jeweils vom erfassenden internen Analog-Digital-Wandler (ADC) zum Prozessorkern transportiert und verarbeitet werden müssen, was zu signallaufzeitbedingten und vorverarbeitungsbedingten Verzögerungen beim Auswerten führt. Bei einem feldprogrammierbaren Gatterfeld stehen die erfassten Werte des ADC den Logikeinheiten stattdessen unmittelbar, das heißt in Echtzeit, zur Verfügung. Auch können mit feldprogrammierbaren Gatterfeldern kostengünstige ADCs ohne weitere Maßnahmen ausgewertet werden, welche einen hochfrequenten digitalen Datenstrom (Bitstrom) erzeugen können, z.B. Delta-Sigma Wandler.Due to the parallel signal processing of a field-programmable gate field, this can also process high-frequency (-MHz) sampled alternating variables, such as those that occur at the terminals of the battery cells in a vehicle due to various consumers (e.g. drive converters, low-voltage DC converters, etc.). Due to the high-frequency sampling, sampling or aliasing effects can be reduced as disturbance variables in the signal. Any noise components of the sensors can be digitally filtered in the field-programmable gate array, so that a very high signal-to-noise ratio can be provided for further digital processing. In comparison, a microcontroller (e.g. DSP) is significantly less suitable for processing high-frequency signals, since the recorded values of the DSP have to be transported and processed by the internal analog-digital converter (ADC) to the processor core, which leads to delay-related and preprocessing-related delays in evaluation. With a field-programmable gate array, the sensed values of the ADC are instead available to the logic units immediately, that is, in real time. Inexpensive ADCs that can generate a high-frequency digital data stream (bit stream), e.g. delta-sigma converters, can also be evaluated with field-programmable gate arrays without further measures.

Das feldprogrammierbare Gatterfeld ist insbesondere ein zur Laufzeit partiell (d.h. teilweise) umkonfigurierbares feldprogrammierbares Gatterfeld. Das Umkonfigurieren erfolgt insbesondere im Wege der partiellen Umkonfiguration, bei der nur ein Teil des Gatterfeldes zur Laufzeit umkonfiguriert bzw. umprogrammiert wird, andere Teile des Gatterfeldes jedoch ihre jeweilige Konfiguration bzw. Programmierung beibehalten. Das Umkonfigurieren wird insbesondere mittels einer Konfigurationssteuerung durchgeführt, welche das Umkonfigurieren durchführt und überwacht. Die Konfigurationssteuerung kann auch mittels der Recheneinrichtung der Vorrichtung bereitgestellt werden. Zum Umkonfigurieren des mindestens einen feldprogrammierbaren Gatterfelds können insbesondere Verfahren zur automatischen Codegenerierung eingesetzt werden, wie beispielsweise der „Xilinx System Generator for DSP“, welcher sowohl eine Quellcode-Modellierung als auch eine Funktionanalyse automatisiert durchführen kann. Der „System Generator for DSP“ ermöglicht beispielsweise die Modellierung von FPGA-Funktionen in einer Matlab Simulink-Umgebung, sodass die Eigenschaften gegenüber weiteren Simulink-Funktionsblöcken getestet werden können. Durch die automatische Codegenerierung kann sichergestellt werden, dass sich das feldprogrammierbare Gatterfeld identisch zur Simulink-Modellierung verhält.In particular, the field-programmable gate array is a run-time partially (i.e., partially) reconfigurable field-programmable gate array. The reconfiguration takes place in particular by way of partial reconfiguration, in which only part of the gate array is reconfigured or reprogrammed at runtime, but other parts of the gate array retain their respective configuration or programming. The reconfiguration is carried out in particular by means of a configuration control which carries out and monitors the reconfiguration. The configuration control can also be provided by means of the computing device of the device. Methods for automatic code generation can be used to reconfigure the at least one field-programmable gate field, such as the “Xilinx System Generator for DSP”, which can automatically carry out both source code modeling and a functional analysis. For example, the "System Generator for DSP" enables the modeling of FPGA functions in a Matlab Simulink environment so that the properties can be tested against other Simulink function blocks. The automatic code generation ensures that the field-programmable gate array behaves identically to Simulink modeling.

Eine Konfiguration eines feldprogrammierbaren Gatterfeldes umfasst insbesondere Anweisungen, mit denen das feldprogrammierbare Gatterfeld derart programmiert werden kann, dass mittels des programmierten (bzw. konfigurierten oder umkonfigurierten) Teils des feldprogrammierbaren Gatterfeldes eine bestimmte Funktionalität zur Datenverarbeitung bereitgestellt werden kann.A configuration of a field-programmable gate array includes, in particular, instructions with which the field-programmable gate array can be programmed in such a way that a specific functionality for data processing can be provided using the programmed (or configured or reconfigured) part of the field-programmable gate array.

Das Überwachen des Batteriezellenzustands umfasst insbesondere ein Vergleichen des Batteriezellenzustands mit einem Sollbatteriezellenzustand. Ergibt der Vergleich, dass der Sollbatteriezellenzustand nicht (mehr) vorliegt, so kann eine Fehlerreaktion erfolgen. Eine Fehlerreaktion kann beispielsweise das Ausgeben einer Warnmeldung und/oder das Abschalten der betroffenen Batteriezelle umfassen. Grundsätzlich können auch andere Fehlerreaktionen erfolgen, beispielsweise kann eine Leistungsentnahme reduziert werden. Insbesondere erzeugt die Steuereinrichtung nach Feststellen eines Fehlers mindestens ein entsprechendes Steuer- und/oder Warnsignal und stellt dieses bereit bzw. gibt dieses aus.The monitoring of the battery cell state includes in particular a comparison of the battery cell state with a target battery cell state. If the comparison shows that the target battery cell state is not (or no longer) present, an error reaction can take place. An error reaction can include, for example, issuing a warning message and/or switching off the affected battery cell. In principle, other error reactions can also take place, for example a power consumption can be reduced. In particular, after an error has been detected, the control device generates at least one corresponding control and/or warning signal and makes it available or outputs it.

Im Rahmen des Schätzens des Batteriezellenzustands können insbesondere Zeitkonstanten der Batteriezelle auf Grundlage des Batteriezellenmodells geschätzt werden. Da in einer Batteriezelle mehrere physikalische und chemische Prozesse parallel zueinander mit unterschiedlichen Zeitkonstanten ablaufen, erlaubt das Schätzen der Zeitkonstanten, den Zustand einer Batteriezelle und deren Alterung zu bestimmen. Wird einer Batterie Leistung entnommen, so verarmen zuerst die Grenzschichten (kleinere Zeitkonstante), erst später beginnen Diffusionsprozesse eine Rolle zu spielen (größere Zeitkonstante). Die geschätzten Zeitkonstanten können mit Sollzeitkonstanten verglichen werden und im Falle einer Abweichung kann eine Fehlermeldung erzeugt und ausgegeben werden oder es kann eine andere Fehlerreaktion erfolgen. Die Zeitkonstanten bilden insbesondere Parameter des Batteriezellenmodells und repräsentieren gleichzeitig insbesondere einen Batteriezellenzustand. Zum Schätzen der Zeitkonstanten kann beispielsweise vorgesehen sein, die Zeitkonstanten durch Auswerten von Vorhersagefehlern zu schätzen. Mit Hilfe des Batteriezellenmodells werden hierzu Vorhersagen für Werte der Spannungen und Ströme an der Batteriezelle berechnet. Dies erfolgt ausgehend von Werten aktueller Abtastschritte für nachfolgende Abtastschritte. Die berechneten Vorhersagen werden fortlaufend mit den an der Batteriezelle erfassten Spannungen und Strömen verglichen, woraus sich ein Vorhersagefehler als Differenz zwischen den berechneten und erfassten Werten bestimmen lässt. Die Zeitkonstanten können dann beispielsweise mit Hilfe eines aus der Regelungstechnik bekannten Beobachters (engl. state observer), der das Batteriezellenmodell als Referenzsystem nachbildet, und des Gradientenabstiegsverfahrens fortlaufend bestimmt werden, indem ein Vorhersagefehler für die Spannung und den Strom minimiert wird. Die vom Beobachter geschätzten Zeitkonstanten können dann zum Überwachen beispielsweise mit vorgegebenen Sollzeitkonstanten oder mit Zeitkonstanten für bekannte Batteriezellenzustände verglichen werden.As part of the estimation of the battery cell state, time constants of the battery cell can be estimated on the basis of the battery cell model. Since several physical and chemical processes take place in parallel with different time constants in a battery cell, estimating the time constants allows the condition of a battery cell and its aging to be determined. If power is drawn from a battery, the boundary layers are first depleted (smaller time constant), and only later do diffusion processes begin to play a role (larger time constant). The estimated time constants can be compared to target time constants and an error message can be generated in the event of a deviation generated and output, or another error reaction can take place. In particular, the time constants form parameters of the battery cell model and at the same time represent in particular a battery cell state. For estimating the time constants, provision can be made, for example, for estimating the time constants by evaluating prediction errors. With the help of the battery cell model, predictions for the values of the voltages and currents at the battery cell are calculated. This is done based on values of current sampling steps for subsequent sampling steps. The calculated predictions are continuously compared with the voltages and currents recorded on the battery cell, from which a prediction error can be determined as the difference between the calculated and recorded values. The time constants can then be continuously determined, for example, with the aid of a state observer known from control engineering, which simulates the battery cell model as a reference system, and the gradient descent method, by minimizing a prediction error for the voltage and the current. The time constants estimated by the observer can then be compared, for example, with predetermined setpoint time constants or with time constants for known battery cell states for monitoring purposes.

Ein Batteriezellenzustand kann sowohl elektrische Größen (Kapazitäten, Widerstände, Induktivitäten, Ströme, Spannungen) als auch andere physikalische oder chemische Größen (z.B. Temperatur) umfassen.A battery cell status can include electrical parameters (capacitance, resistance, inductance, current, voltage) as well as other physical or chemical parameters (e.g. temperature).

Das Überwachen kann sowohl in der Recheneinrichtung als auch in dem feldprogrammierbaren Gatterfeld durchgeführt werden. Insbesondere ist jedoch vorgesehen, dass das Schätzen in dem feldprogrammierbaren Gatterfeld durchgeführt wird, das Überwachen hingegen mittels der Recheneinrichtung, das heißt die Recheneinrichtung überwacht den bzw. die von dem feldprogrammierbaren Gatterfeld geschätzten Batteriezellenzustände.The monitoring can be performed both in the computing device and in the field-programmable gate array. In particular, however, it is provided that the estimation is carried out in the field-programmable gate array, while the monitoring is carried out by means of the computing device, ie the computing device monitors the battery cell state(s) estimated by the field-programmable gate array.

Teile der Vorrichtung, insbesondere die Recheneinrichtung, können einzeln oder zusammengefasst als eine Kombination von Hardware und Software ausgebildet sein, beispielsweise als Programmcode, der auf einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor ausgeführt wird.Parts of the device, in particular the computing device, can be designed individually or combined as a combination of hardware and software, for example as program code that is executed on a microcontroller or microprocessor.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Batteriezellenmodell als Ersatzschaltbild ausgestaltet ist, wobei als Batteriezellenzustand zumindest Werte für Kapazitäten und/oder Widerstände des Ersatzschaltbildes geschätzt und überwacht werden. Das Ersatzschaltbild ist insbesondere ein RC-Ersatzschaltbild. Im einfachsten Fall kann die Batteriezelle als eine Kapazität mit einem parallel geschalteten Widerstand dargestellt werden. Durch Auswerten eines Zeitverlaufs der erfassten Spannung und des erfassten Stroms können diese Kapazität und dieser Widerstand mit Hilfe des Ersatzschaltbild geschätzt werden, beispielsweise mittels an sich bekannter Anpassungs- und/oder Schätzverfahren. Insbesondere können die Werte für die Kapazität und den Widerstand iterativ angepasst werden, bis das Ersatzschaltbild ein an der Batteriezelle beobachtetes Verhalten von Spannung und Strom nachbildet. Die geschätzten Werte für die Kapazität und den Widerstand können dann mit Sollwerten und/oder Sollbereichen und/oder Schwellenwerten verglichen werden. Ergibt sich eine Abweichung zu einem Sollwert und/oder wird ein Sollbereich verlassen und/oder wird ein Schwellenwert über- bzw. unterschritten, so wird eine Fehlermeldung erzeugt und ausgegeben und/oder die Batteriezelle wird abgeschaltet. Grundsätzlich können auch andere Fehlerreaktionen erfolgen, beispielsweise kann eine Leistungsentnahme reduziert werden. Das Ersatzschaltbild kann insbesondere auch einen oder mehrere Schwingkreise mit unterschiedlichen Zeitkonstanten umfassen. Die Zeitkonstanten entsprechen hierbei den Zeitkonstanten, auf denen (unterschiedliche) chemische Prozesse innerhalb der Batteriezelle stattfinden. Das Schätzen von Kapazitäten und Widerständen (und gegebenenfalls weiterer elektrischer Größen, z.B. von Induktivitäten) der Schwingkreise ermöglicht dann das Schätzen der zugehörigen Zeitkonstanten.One embodiment provides that the battery cell model is designed as an equivalent circuit diagram, with at least values for capacitances and/or resistances of the equivalent circuit diagram being estimated and monitored as the battery cell state. The equivalent circuit is in particular an RC equivalent circuit. In the simplest case, the battery cell can be represented as a capacitance with a resistance connected in parallel. By evaluating a time course of the detected voltage and the detected current, this capacitance and this resistance can be estimated using the equivalent circuit diagram, for example using adaptation and/or estimation methods that are known per se. In particular, the values for the capacitance and the resistance can be adjusted iteratively until the equivalent circuit diagram simulates a behavior of voltage and current observed at the battery cell. The estimated capacitance and resistance values can then be compared to target values and/or target ranges and/or threshold values. If there is a deviation from a target value and/or a target range is left and/or a threshold value is exceeded or not reached, an error message is generated and output and/or the battery cell is switched off. In principle, other error reactions can also take place, for example a power consumption can be reduced. In particular, the equivalent circuit diagram can also include one or more resonant circuits with different time constants. The time constants correspond to the time constants on which (different) chemical processes take place within the battery cell. Estimating the capacitances and resistances (and possibly other electrical variables, e.g. inductances) of the oscillating circuits then enables the associated time constants to be estimated.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Batteriezellenmodell mittels eines Maschinenlernmodells bereitgestellt wird. Hierdurch kann ein Verhalten der Batteriezelle verbessert abgebildet werden. Insbesondere erlaubt das Maschinenlernmodell auch das Abbilden von seltenen Verhaltensweisen, sofern diese während eines Trainings berücksichtigt werden. Das Maschinenlernmodell ist insbesondere ein trainiertes bzw. voll ausparametriertes Maschinenlernmodell. Das Maschinenlernmodell ist dann in dem mindestens einen feldprogrammierbaren Gatterfeld ausgebildet. Das Maschinenlernmodell kann insbesondere als (künstliches) Neuronales Netz ausgebildet sein. Mittels des Maschinenlernmodells wird das Batteriezellenmodell bereitgestellt. Mittels des Maschinenlernmodells können beispielsweise ausgehend von der zeitaufgelöst erfassten Spannung und dem zeitaufgelöst erfassten Strom eine oder mehrere Kapazitäten und eine oder mehrere Widerstände eines über das Maschinenlernmodell abgebildeten Ersatzschaltbildes der Batteriezelle geschätzt werden. Das Maschinenlernmodell wird insbesondere mittels Trainingsdaten trainiert bzw. parametriert, für die eine Grundwahrheit bekannt ist. Die Trainingsdaten bilden hierbei insbesondere sowohl ein fehlerfreies (normales) Verhalten als auch ein fehlerhaftes Verhalten der Batteriezelle ab.In one embodiment it is provided that the battery cell model is provided by means of a machine learning model. As a result, the behavior of the battery cell can be mapped in an improved manner. In particular, the machine learning model also allows the mapping of rare behaviors, provided they are taken into account during training. The machine learning model is in particular a trained or fully parameterized machine learning model. The machine learning model is then embodied in the at least one field-programmable gate array. The machine learning model can be designed in particular as an (artificial) neural network. The battery cell model is provided by means of the machine learning model. The machine learning model can be used, for example, to estimate one or more capacitances and one or more resistances of an equivalent circuit diagram of the battery cell represented by the machine learning model, based on the voltage recorded in a time-resolved manner and the current recorded in a time-resolved manner. The machine learning model is trained or parameterized in particular using training data for which a basic truth is known. In particular, the training data form both an error-free (normal) behavior as well as incorrect behavior of the battery cell.

In einer weiterbildenden Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Maschinenlernmodell während eines Betriebs durch zumindest teilweises Umkonfigurieren des feldprogrammierbaren Gatterfelds angepasst werden kann und/oder angepasst wird. Hierdurch kann das Batteriezellenmodell mit der Zeit nachtrainiert und/oder komplexer ausgebildet werden. Dies ermöglicht ein verbessertes Schätzen des Batteriezellenzustands sowie ein Anpassen des Batteriezellenmodells mit zunehmender Alterung der Batteriezelle. Ferner kann das Batteriezellenmodell hierdurch auch zu späteren Zeitpunkten auf einen aktuellen Stand gebracht werden („Update“), um beispielsweise neue Erkenntnisse und/oder andere, insbesondere erweiterte, Trainingsdaten zu berücksichtigen.A further embodiment provides that the machine learning model can be and/or is adapted during operation by at least partially reconfiguring the field-programmable gate array. As a result, the battery cell model can be retrained over time and/or made more complex. This enables an improved estimation of the battery cell condition as well as an adjustment of the battery cell model as the battery cell ages. Furthermore, the battery cell model can also be brought up to date at a later point in time (“update”), for example, in order to take into account new findings and/or other, in particular expanded, training data.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zum Überwachen ein Zeitverhalten des geschätzten Batteriezellenzustands der mindestens einen Batteriezelle und/oder der erfassten Spannung und/oder des erfassten Stroms ausgewertet und überwacht wird. Hierdurch kann ein Fehlerverhalten, das sich im Zeitverlauf äußert, erkannt und für die Überwachung nutzbar gemacht werden. Es kann vorgesehen sein, dass hierbei spektroskopische Techniken zum Einsatz kommen, welche eine Analyse und/oder Überwachen einzelner Frequenzen und/oder Frequenzbereiche ermöglicht. Dies ermöglicht es insbesondere, auch eine Fehlerart festzustellen, sodass als Reaktion auf einen festgestellten Fehler nach einer Fehlerart differenzierte Betriebsstrategien und/oder Fehlerreaktionen verwirklicht werden können.In one embodiment, it is provided that a time behavior of the estimated battery cell state of the at least one battery cell and/or the detected voltage and/or the detected current is evaluated and monitored for monitoring. As a result, an error behavior that manifests itself over time can be recognized and made usable for monitoring. Provision can be made for spectroscopic techniques to be used here, which enable analysis and/or monitoring of individual frequencies and/or frequency ranges. This makes it possible, in particular, to also determine a type of error, so that operating strategies and/or error reactions differentiated according to an error type can be implemented as a reaction to an error that has been identified.

In einer weiterbildenden Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Zeitverhalten des Batteriezellenzustands der mindestens einen Batteriezelle und/oder der erfassten Spannung und/oder des erfassten Stroms mit empirisch bestimmten Fehlerverläufen verglichen wird, wobei ein Fehler erkannt wird, wenn eine Übereinstimmung festgestellt wird. Hierdurch kann auf einen empirisch bestimmten Erfahrungsschatz zurückgegriffen werden, der zur Fehlerüberwachung genutzt werden kann. Wurde beispielsweise empirisch bestimmt, welches Verhalten bzw. welche Batteriezustände eine Batteriezelle in der Zeit unmittelbar vor einem thermischen Durchgehen zeigt, so kann bei Auftreten eines solchen Verhaltens an der überwachten Batteriezelle auch ein zukünftiger Batteriezellenzustand (z.B. „thermisches Durchgehen in 40 Sekunden“) geschätzt werden. Dies ermöglicht das Abschalten der Batteriezelle und/oder das Treffen von weiteren Maßnahmen, bevor der erwartete Fehler aufgetreten ist. Ein Betrieb der Batteriezelle bzw. der Batterie kann hierdurch zuverlässiger und sicherer gemacht werden. Insbesondere ermöglicht dies, eine vorausschauende Betriebsstrategie und/oder Wartung von Batteriezellen und der Batterie.In a further embodiment, it is provided that the time behavior of the battery cell state of the at least one battery cell and/or the detected voltage and/or the detected current is compared to empirically determined error curves, with an error being recognized if a match is found. As a result, an empirically determined wealth of experience can be accessed, which can be used for fault monitoring. If, for example, it has been determined empirically which behavior or which battery states a battery cell shows in the time immediately before a thermal runaway occurs, a future battery cell state (e.g. "thermal runaway in 40 seconds") can also be estimated if such a behavior occurs in the monitored battery cell . This enables the battery cell to be switched off and/or further measures to be taken before the expected error has occurred. Operation of the battery cell or the battery can be made more reliable and safer as a result. In particular, this enables a predictive operating strategy and/or maintenance of battery cells and the battery.

Werden beispielsweise im Rahmen des Schätzens des Batteriezellenzustands Zeitkonstanten geschätzt, so kann auf Grundlage der geschätzten Zeitkonstanten, insbesondere auf Grundlage einer beobachteten Änderung der geschätzten Zeitkonstanten im Zeitverlauf, ebenfalls ein thermisches Durchgehen frühzeitig erkannt und verhindert werden.If, for example, time constants are estimated as part of the estimation of the battery cell state, thermal runaway can also be detected early and prevented based on the estimated time constants, in particular based on an observed change in the estimated time constant over time.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zum Überwachen des Batteriezellenzustands der mindestens einen Batteriezelle der geschätzte Batteriezellenzustand mit mindestens einem geschätzten Batteriezellenzustand mindestens einer anderen Batteriezelle verglichen wird. Hierdurch kann ein Verhalten einzelner Batteriezellen in einem Verbund gegeneinander überwacht und/oder überprüft werden. Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass grundsätzlich davon auszugehen ist, dass sich die (gleichartigen) Batteriezellen gleichartig verhalten. Entsprechend werden die Batteriezellenzustände der einzelnen Batteriezellen miteinander verglichen. Beispielsweise können die im Rahmen des offenbarten Verfahrens geschätzten Kapazitäten und Widerstände der Ersatzschaltbilder der einzelnen Batteriezellen miteinander verglichen werden. Funktionieren die Batteriezellen einwandfrei, so weisen die Kapazitäten und die Widerstände die gleichen Werte auf (die ggf. innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches liegen). Weichen die Werte von beispielsweise einer der Batteriezellen im Verbund hingegen von den Werten der anderen Batteriezellen ab, so ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass diese Batteriezelle fehlerhaft arbeitet. Als Reaktion auf das Ergebnis kann diese Batteriezelle beispielsweise abgeschaltet werden und/oder eine Warnmeldung ausgegeben werden. Ferner kann auch eine Reaktion eines Fahrzeugs erfolgen, in dem die Batterie mit der fehlerhaften Batteriezelle verbaut ist. Beispielsweise kann eine Leistungsentnahme reduziert werden.In one embodiment it is provided that the estimated battery cell state is compared with at least one estimated battery cell state of at least one other battery cell in order to monitor the battery cell state of the at least one battery cell. In this way, the behavior of individual battery cells in a network can be monitored and/or checked against one another. This is based on the idea that it can generally be assumed that the (similar) battery cells behave in the same way. The battery cell states of the individual battery cells are compared with one another accordingly. For example, the capacities and resistances of the equivalent circuit diagrams of the individual battery cells estimated within the scope of the disclosed method can be compared with one another. If the battery cells are functioning properly, the capacitances and resistances will have the same values (which may be within a specified tolerance range). On the other hand, if the values of, for example, one of the battery cells in the group deviate from the values of the other battery cells, there is a high probability that this battery cell is working incorrectly. As a reaction to the result, this battery cell can be switched off, for example, and/or a warning message can be output. Furthermore, a vehicle in which the battery with the faulty battery cell is installed can also react. For example, a power consumption can be reduced.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Batteriezellenzustände mehrerer Batteriezellen der Batterie einzeln oder teilgruppenweise jeweils abwechselnd bestimmt und zum Überwachen miteinander verglichen werden. Insbesondere wird das feldprogrammierbare Gatterfeld hierbei jedes Mal auf die zu überwachende Batteriezelle oder die zu überwachende Teilgruppe von Batteriezellen umkonfiguriert, indem das feldprogrammierbare Gatterfeld jeweils auf das Bereitstellen und Anwenden der zugehörigen Batteriezellenmodelle umkonfiguriert wird. Hierdurch kann eine Rechenleistung eingespart werden und das feldprogrammierbare Gatterfeld kann kleiner und daher kostengünstiger ausgebildet sein. Die Vorgehensweise ist ansonsten analog der der im direkt voranstehenden Absatz beschriebenen Vorgehensweise.In one embodiment, it is provided that the battery cell states of several battery cells of the battery are determined alternately individually or in subgroups and compared with one another for monitoring. In particular, the field-programmable gate array is reconfigured each time to the battery cell to be monitored or to the subgroup of battery cells to be monitored by the field-programmable gate array being reconfigured to provide and use the associated battery cell models. As a result, computing power can be saved and the field-programmable gate array can be smaller and therefore more cost-effective be educated. The procedure is otherwise analogous to the procedure described in the paragraph directly above.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sensorik die Spannung und den Strom mit einer Abtastrate von mindestens 300 kHz, bevorzugt von mindestens 1 MHz erfasst. Dies ermöglicht eine schnelle Reaktion, insbesondere in Echtzeit oder nahezu Echtzeit, auf ein fehlerhaftes Verhalten der mindestens einen Batteriezelle.In one embodiment it is provided that the sensor system detects the voltage and the current with a sampling rate of at least 300 kHz, preferably at least 1 MHz. This enables a quick reaction, in particular in real time or almost real time, to incorrect behavior of the at least one battery cell.

Weitere Merkmale zur Ausgestaltung der Vorrichtung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausgestaltungen des Verfahrens. Die Vorteile der Vorrichtung sind hierbei jeweils die gleichen wie bei den Ausgestaltungen des Verfahrens.Further features for the configuration of the device result from the description of configurations of the method. The advantages of the device are in each case the same as in the embodiments of the method.

Das Verfahren und die Vorrichtung können insbesondere in einem Fahrzeug, insbesondere einem in einem Kraftfahrzeug, zum Einsatz kommen. Insbesondere wird daher auch ein Fahrzeug geschaffen, umfassend mindestens eine Vorrichtung gemäß einer der beschriebenen Ausführungsformen.The method and the device can be used in particular in a vehicle, in particular in a motor vehicle. In particular, therefore, a vehicle is also created, comprising at least one device according to one of the described embodiments.

Ist ein Umkonfigurieren nicht gewünscht oder nicht notwendig, so kann die Funktionalität des mindestens einen feldprogrammierbaren Gatterfeldes auch mittels einer entsprechend konfigurierten anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) bereitgestellt werden.If reconfiguration is not desired or necessary, the functionality of the at least one field-programmable gate array can also be provided by means of an appropriately configured application-specific integrated circuit (ASIC).

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Überwachen mindestens einer Batteriezelle einer Batterie;
  • 2 eine schematische Darstellung eines Ersatzschaltbildes einer Batteriezelle, die mit einem Serienwiderstand und zwei Schwingkreisen mit jeweils unterschiedlichen Zeitkonstanten modelliert ist.
The invention is explained in more detail below on the basis of preferred exemplary embodiments with reference to the figures. Here show:
  • 1 a schematic representation of an embodiment of the device for monitoring at least one battery cell of a battery;
  • 2 a schematic representation of an equivalent circuit diagram of a battery cell, which is modeled with a series resistor and two resonant circuits, each with different time constants.

In 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung 1 zum Überwachen mindestens einer Batteriezelle 21-x einer Batterie 20 gezeigt. Die Vorrichtung 1 führt das in dieser Offenbarung beschriebene Verfahren zum Überwachen mindestens einer Batteriezelle 21-x einer Batterie 20 aus.In 1 a schematic representation of an embodiment of the device 1 for monitoring at least one battery cell 21-x of a battery 20 is shown. The device 1 performs the method described in this disclosure for monitoring at least one battery cell 21 -x of a battery 20 .

Die Vorrichtung 1 umfasst für jede der Batteriezellen 21-x eine Sensorik 2-x zum zeitaufgelösten Erfassen einer Spannung und eines Stroms der Batteriezellen 21-x. Zum Erfassen des Stroms können die Sensoriken 2-x beispielsweise Rogowski-Spulen aufweisen.The device 1 comprises a sensor system 2-x for each of the battery cells 21-x for time-resolved detection of a voltage and a current of the battery cells 21-x. To detect the current, the sensors 2-x can have Rogowski coils, for example.

Ferner umfasst die Vorrichtung 1 eine Recheneinrichtung 3 mit einem Speicher (nicht gezeigt) und ein feldprogrammierbares Gatterfeld 4. Die Recheneinrichtung 3 ist als Mikroprozessor, beispielsweise als Digital Signal Processor (DSP) ausgebildet. Das feldprogrammierbare Gatterfeld 4 ist insbesondere zur Laufzeit partiell rekonfigurierbar. Die Recheneinrichtung 3 kann das feldprogrammierbare Gatterfeld 4 umkonfigurieren.Furthermore, the device 1 comprises a computing device 3 with a memory (not shown) and a field-programmable gate array 4. The computing device 3 is designed as a microprocessor, for example as a Digital Signal Processor (DSP). The field-programmable gate array 4 can be partially reconfigured, particularly at runtime. The computing device 3 can reconfigure the field-programmable gate array 4 .

Die Sensorik 2-x erfasst die Spannung und den Strom insbesondere mit einer Abtastrate von mindestens 300 kHz, bevorzugt von mindestens 1 MHz. Hierdurch lassen sich auch sehr schnell in den Batteriezellen 21-x ablaufende Prozesse und Veränderungen erfassen und zum Überwachen auswerten. Die von der Sensorik 2-x erfassten analogen Größen werden mittels eines Analog-Digital-Wandlers digitalisiert und dem feldprogrammierbaren Gatterfeld 4 zugeführt. Dies erfolgt beispielsweise mittels eines Sigma-Delta-Wandlers, der einen Bitstrom bereitstellt.The sensor system 2-x detects the voltage and the current, in particular with a sampling rate of at least 300 kHz, preferably at least 1 MHz. As a result, processes and changes occurring very quickly in the battery cells 21-x can also be detected and evaluated for monitoring. The analog variables detected by the sensor system 2-x are digitized by means of an analog/digital converter and fed to the field-programmable gate array 4 . This is done, for example, using a sigma-delta converter that provides a bit stream.

Das feldprogrammierbare Gatterfeld 4 ist dazu eingerichtet, mittels jeweils eines Batteriezellenmodells 10-x für jede der Batteriezellen 21-x aus der jeweils erfassten Spannung und dem jeweils erfassten Strom einen jeweiligen Batteriezellenzustand 22-x der Batteriezellen 21-x zu schätzen. Zum Bereitstellen der Batteriezellenmodelle 10-x ist jeweils ein entsprechender Bereich in dem feldprogrammierbaren Gatterfeld 4 konfiguriert. Hierdurch können die Batteriezellen 21-x alle zeitgleich überwacht werden. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das feldprogrammierbare Gatterfeld 4 zumindest partiell umkonfiguriert wird, um abwechselnd ein oder mehrere der Batteriezellenmodelle 21-x bereitstellen und anwenden zu können.The field-programmable gate array 4 is set up to estimate a respective battery cell state 22-x of the battery cells 21-x using a respective battery cell model 10-x for each of the battery cells 21-x from the respectively detected voltage and the respectively detected current. A corresponding area in the field-programmable gate array 4 is configured in each case to provide the battery cell models 10-x. As a result, the battery cells 21-x can all be monitored at the same time. Alternatively, it can be provided that the field-programmable gate array 4 is at least partially reconfigured in order to be able to alternately provide and use one or more of the battery cell models 21-x.

Der jeweils geschätzte Batteriezellenzustand 22-x wird überwacht. Hierzu kann der Batteriezellenzustand 22-x beispielsweise mit einem Sollbatteriezellenzustand oder mit einem Sollbereich für den Batteriezellenzustand 22-x verglichen werden. Eine Fehler- und/oder Warnmeldung kann dann erzeugt werden, wenn der geschätzte Batteriezellenzustand 22-x den Sollbatteriezellenzustand und/oder den Sollbereich verlässt. Nach Feststellen eines Fehlers kann auch eine Betriebsstrategie der betroffenen Batteriezelle 21-x und/oder der Batterie 20 geändert werden. Die Recheneinrichtung 2 erzeugt dann entsprechend hierfür ausgebildete Warn- und/oder Steuersignale und gibt diese aus, beispielsweise an eine Batteriesteuerung (nicht gezeigt). Ferner kann auch eine aus der Batteriezelle 21-x oder der Batterie 20 entnommene Leistung reduziert werden.The respectively estimated battery cell state 22-x is monitored. For this purpose, the battery cell state 22-x can be compared, for example, with a target battery cell state or with a target range for the battery cell state 22-x. An error and/or warning message can then be generated if the estimated battery cell state 22-x leaves the target battery cell state and/or the target range. After an error has been detected, an operating strategy of the affected battery cell 21-x and/or the battery 20 can also be changed. The computing device 2 then generates warning and/or control signals designed accordingly for this purpose and outputs them, for example to a battery controller (not shown). Furthermore, power drawn from the battery cell 21-x or the battery 20 can also be reduced.

Das Überwachen kann in dem feldprogrammierbaren Gatterfeld 4 durchgeführt werden, beispielsweise in einem hierfür konfigurierten Überwachungsmodul 5.The monitoring can be carried out in the field-programmable gate array 4, for example in a monitoring module 5 configured for this purpose.

Es kann jedoch alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, die geschätzten Batteriezellenzustände 22-x an die Recheneinrichtung 3 zu übermitteln und das Überwachen mittels der Recheneinrichtung 3 durchzuführen.However, as an alternative or in addition, provision can be made for the estimated battery cell states 22 - x to be transmitted to the computing device 3 and for the monitoring to be carried out using the computing device 3 .

Es kann vorgesehen sein, dass die Batteriezellenmodelle 10-x als Ersatzschaltbilder 11-x ausgestaltet sind, wobei als Batteriezellenzustand 22-x zumindest Werte für Kapazitäten C-x und/oder Widerstände R-x des jeweiligen Ersatzschaltbildes 11-x geschätzt und überwacht werden. Ausgehend hiervon können auch Zeitkonstanten geschätzt und überwacht werden.It can be provided that the battery cell models 10-x are designed as equivalent circuit diagrams 11-x, with at least values for capacitances C-x and/or resistances R-x of the respective equivalent circuit diagram 11-x being estimated and monitored as the battery cell state 22-x. Based on this, time constants can also be estimated and monitored.

Die 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ersatzschaltbildes 12 einer Batteriezelle 21-x. Die Batteriezelle 21-x weist eine Leerlaufspannung V_oc (engl. open circuit voltage) auf, die im Ersatzschaltbild 12 als Spannungsquelle modelliert ist. Das Ersatzschaltbild 12 umfasst zwei Schwingkreise 11-x mit unterschiedlichen Zeitkonstanten, die auf unterschiedlichen Zeitskalen ablaufende chemische Prozesse in der Batteriezelle 21-x nachbilden. Beispielsweise kann der Schwingkreis 11-1 das Verarmen von Grenzschichten der Batteriezelle 21-x (kleinere Zeitkonstante) und der Schwingkreis 11-2 innerhalb der Batteriezelle 21-x stattfindende Diffusionsprozesse (größere Zeitkonstante) nachbilden. Jeder Schwingkreis 11-x wird hierbei über eine Kapazität C-x und einen parallelgeschalteten Widerstand R-x modelliert. Ferner weist das Ersatzschaltbild 12 der Batteriezelle 21-x noch einen Serienwiderstand Rs auf. Mittels des Ersatzschaltbildes 12 kann die gesamte Batteriezelle 21-x modelliert werden. Durch Berücksichtigung des Serienwiderstands Rs und der Schwingkreise 11-x ergibt sich ausgehend von der Leerlaufspannung V_oc eine von der Batteriezelle 21-x bereitgestellte Batteriezellenspannung V_Batt. Zum Schätzen des Batteriezellenzustands werden für jeden Schwingkreis 11-x die Kapazität C-x und der Widerstand R-x und hierüber die jeweiligen Zeitkonstanten geschätzt. Dies kann beispielsweise mittels eines Beobachters und dem Gradientenabstiegsverfahren erfolgen. Die geschätzten Kapazitäten C-x und Widerstände R-x und/oder die geschätzten Zeitkonstanten können dann zum Überwachen der Batteriezelle 21-x mit vorgegebenen Schwellenwerten und/oder empirisch bestimmten Werten verglichen werden.the 2 shows a schematic representation of an equivalent circuit diagram 12 of a battery cell 21-x. The battery cell 21-x has an open circuit voltage V_oc, which is modeled in the equivalent circuit diagram 12 as a voltage source. The equivalent circuit diagram 12 includes two resonant circuits 11-x with different time constants, which simulate chemical processes in the battery cell 21-x occurring on different time scales. For example, the oscillating circuit 11-1 can simulate the depletion of boundary layers of the battery cell 21-x (smaller time constant) and the oscillating circuit 11-2 can simulate diffusion processes taking place within the battery cell 21-x (larger time constant). In this case, each resonant circuit 11-x is modeled via a capacitance Cx and a resistance Rx connected in parallel. Furthermore, the equivalent circuit diagram 12 of the battery cell 21-x also has a series resistance Rs. The entire battery cell 21 - x can be modeled using the equivalent circuit diagram 12 . By taking into account the series resistance Rs and the resonant circuits 11-x, a battery cell voltage V_Batt provided by the battery cell 21-x results from the open-circuit voltage V_oc. To estimate the state of the battery cells, the capacitance Cx and the resistance Rx and the respective time constants are estimated for each resonant circuit 11-x. This can be done, for example, using an observer and the gradient descent method. The estimated capacitances Cx and resistances Rx and/or the estimated time constants can then be compared to predetermined threshold values and/or empirically determined values for monitoring the battery cell 21-x.

Das in der 2 gezeigte Ersatzschaltbild 12 der Batteriezelle 21-x ist lediglich beispielhaft gewählt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass weitere Schwingkreise mit anderen Zeitkonstanten zum Berücksichtigen von weiteren Prozessen innerhalb der Batteriezelle 21-x Teil des Ersatzschaltbildes 12 sind.That in the 2 The equivalent circuit diagram 12 of the battery cell 21-x shown is only chosen as an example. In particular, it can be provided that additional resonant circuits with other time constants are part of the equivalent circuit diagram 12 in order to take into account additional processes within the battery cell 21 - x.

Für eine Batterie 20, wie diese in der 1 gezeigt ist, würde das Ersatzschaltbild 12 entsprechend fünf einander über eine Stromschiene parallelgeschaltete Batteriezellen 21-x aufweisen.For a battery 20 like this one in the 1 is shown, the equivalent circuit diagram 12 would correspondingly have five battery cells 21-x connected in parallel via a busbar.

Es kann vorgesehen sein, dass die Batteriezellenmodelle 10-x mittels Maschinenlernmodellen bereitgestellt werden. Beispielsweise können die Kapazitäten C-x und die Widerstände R-x mittels eines hierauf trainierten Neuronalen Netzes geschätzt werden.Provision can be made for the battery cell models 10-x to be provided using machine learning models. For example, the capacitances C-x and the resistances R-x can be estimated using a neural network that has been trained for this.

Es kann weiterbildend vorgesehen sein, dass das Maschinenlernmodell während eines Betriebs durch zumindest teilweises Umkonfigurieren des feldprogrammierbaren Gatterfelds 4 angepasst werden kann und/oder angepasst wird. Insbesondere kann ein fortlaufendes Nachtrainieren erfolgen, beispielsweise mittels einer fortlaufenden Backpropagation. Ferner kann auch ein mittels des feldprogrammierbaren Gatterfeldes 4 bereitgestellter Beobachter fortlaufend angepasst werden.In a further development, it can be provided that the machine learning model can be adapted and/or is adapted during operation by at least partially reconfiguring the field-programmable gate array 4 . In particular, continuous retraining can take place, for example by means of continuous backpropagation. Furthermore, an observer provided by means of the field-programmable gate array 4 can also be adjusted continuously.

Es kann vorgesehen sein, dass zum Überwachen ein Zeitverhalten der geschätzten Batteriezellenzustände 22-x der Batteriezellen 21-x und/oder der erfassten Spannungen und/oder der erfassten Ströme ausgewertet und überwacht wird. Werden als Batteriezellenzustand 22-x beispielsweise die voranstehend beschriebenen Zeitkonstanten der Schwingkreise 11-x geschätzt, so kann ein zeitlicher Verlauf der Zeitkonstanten überwacht werden.Provision can be made for a time behavior of the estimated battery cell states 22-x of the battery cells 21-x and/or the detected voltages and/or the detected currents to be evaluated and monitored for monitoring purposes. If, for example, the time constants of the oscillating circuits 11-x described above are estimated as the battery cell state 22-x, a time profile of the time constants can be monitored.

Es kann weiterbildend vorgesehen sein, dass das Zeitverhalten der geschätzten Batteriezellenzustände 22-x und/oder der erfassten Spannungen und/oder der erfassten Ströme mit empirisch bestimmten Fehlerverläufen verglichen wird, wobei ein Fehler erkannt wird, wenn eine Übereinstimmung festgestellt wird. Insbesondere kann ein zukünftiges thermisches Durchgehen einer Batteriezelle 21-x bereits vor Eintreten des thermischen Durchgehens erkannt und verhindert werden, wenn ein Zeitverhalten der Batteriezellenzustände 22-x unmittelbar, das heißt einige Sekunden bis Minuten, vor dem thermischen Durchgehen beispielsweise in einem Labor empirisch bestimmt wurde und daher bekannt ist. Tritt ein solches Zeitverhalten des Batteriezellenzustandes 22-x bei einem Betrieb im Feld auf (z.B. bei einer geschätzten Kapazität C-x und/oder einem geschätzten Widerstand R-x und/oder einer hieraus abgeleiteten Zeitkonstante eines Schwingkreises 11-x), so kann sofort darauf reagiert werden, indem die zugehörige Batteriezelle 21-x abgeschaltet wird.In a further development, provision can be made for the time behavior of the estimated battery cell states 22-x and/or the detected voltages and/or the detected currents to be compared with empirically determined error curves, with an error being recognized if a match is established. In particular, a future thermal runaway of a battery cell 21-x can be detected and prevented even before the thermal runaway occurs if a time behavior of the battery cell states 22-x was empirically determined immediately, i.e. a few seconds to minutes, before the thermal runaway, for example in a laboratory and therefore known. If such a time behavior of the battery cell state 22-x occurs during operation in the field (e.g. with an estimated capacitance Cx and/or an estimated resistance Rx and/or a time constant of an oscillating circuit 11-x derived therefrom), an immediate reaction can be in that the associated battery cell 21-x is switched off.

Beim Erkennen eines für Fehler charakteristischen Zeitverhaltens können insbesondere Verfahren des Maschinenlernens, beispielsweise trainierte Neuronale Netze, mit Vorteil eingesetzt werden. Insbesondere können diese in dem feldprogrammierbaren Gatterfeld 4 ausgebildet sein, sodass eine schnelle, insbesondere hochfrequente (z.B. im MHz-Bereich) Verarbeitung der erfassten Spannungen und Ströme möglich ist. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass zum Überwachen ein trainiertes Harmonisch Aktiviertes Neuronales Netz (HANN) verwendet wird.When recognizing a time behavior that is characteristic of errors, machine learning methods, for example trained neural networks, can be used to advantage. In particular, these can be formed in the field-programmable gate array 4 so that rapid, in particular high-frequency (eg in the MHz range) processing of the detected voltages and currents is possible. In particular, it can be provided that a trained Harmonically Activated Neural Network (HANN) is used for monitoring.

Es kann vorgesehen sein, dass zum Überwachen des Batteriezellenzustands 22-x der Batteriezellen 21-x der jeweils geschätzte Batteriezellenzustand 22-x mit mindestens einem geschätzten Batteriezellenzustand 22-x mindestens einer anderen Batteriezelle 21-x verglichen wird. Hierdurch können von einem normalen Verhalten der Batteriezellen 21-x abweichende Verhaltensweisen in den geschätzten Batteriezuständen 22-x erkannt werden, ohne dass ein Vorwissen in Form von empirisch bestimmten Verhaltensweisen notwendig ist.Provision can be made for the respectively estimated battery cell state 22-x to be compared with at least one estimated battery cell state 22-x of at least one other battery cell 21-x in order to monitor the battery cell state 22-x of the battery cells 21-x. As a result, behaviors in the estimated battery states 22-x that deviate from a normal behavior of the battery cells 21-x can be recognized without prior knowledge in the form of empirically determined behaviors being necessary.

Es kann vorgesehen sein, dass die Batteriezustände 22-x mehrerer Batteriezellen 21-x der Batterie 20 einzeln oder teilgruppenweise jeweils abwechselnd geschätzt und zum Überwachen miteinander verglichen werden. Hierdurch können benötigte Ressourcen im feldprogrammierbaren Gatterfeld 4 eingespart bzw. reduziert werden. Das feldprogrammierbare Gatterfeld 4 wird mittels der Recheneinrichtung 3 für jeden Wechsel auf eine andere Batteriezelle 21-x und/oder auf eine andere Gruppe von Batteriezellen 21-x zumindest teilweise umkonfiguriert, indem das feldprogrammierbare Gatterfeld 4 jeweils auf das Bereitstellen des bzw. der benötigten Batteriezellenmodelle 10-x umkonfiguriert wird. Die zugehörigen Konfigurationen sind beispielsweise in dem Speicher der Recheneinrichtung 3 hinterlegt und werden aus diesem nach Bedarf abgerufen und zum Umkonfigurieren des feldprogrammierbaren Gatterfeldes 4 verwendet.It can be provided that the battery statuses 22-x of several battery cells 21-x of the battery 20 are alternately estimated individually or in subgroups and compared with one another for monitoring. As a result, the resources required in the field-programmable gate array 4 can be saved or reduced. The field-programmable gate array 4 is at least partially reconfigured by the computing device 3 for each change to a different battery cell 21-x and/or to a different group of battery cells 21-x by the field-programmable gate array 4 responding to the provision of the required battery cell model or models 10 times reconfigured. The associated configurations are stored, for example, in the memory of the computing device 3 and are retrieved from this as required and used to reconfigure the field-programmable gate array 4 .

BezugszeichenlisteReference List

11
Vorrichtungcontraption
2-x2x
Sensoriksensors
33
Recheneinrichtungcomputing device
44
feldprogrammierbares Gatterfeldfield-programmable gate array
55
Überwachungsmodulmonitoring module
10-x10-x
Batteriezellenmodellbattery cell model
11-x11-x
Schwingkreisresonant circuit
1212
Ersatzschaltbild (Batteriezelle)Equivalent circuit (battery cell)
2020
Batteriebattery
21-x21-x
Batteriezellebattery cell
22-x22-x
Batteriezellenzustandbattery cell condition
C-xC-x
Kapazitätcapacity
R-xR-x
Widerstandresistance
RsRs
Serienwiderstandseries resistance
V_BattV_Batt
Batteriezellenspannungbattery cell voltage
V_ocV_oc
Leerlaufspannungopen circuit voltage

Claims (10)

Verfahren zum Überwachen mindestens einer Batteriezelle (21-x) einer Batterie (20), wobei mittels mindestens einer Sensorik (2-x) eine Spannung und ein Strom zeitaufgelöst an der mindestens einen Batteriezelle (21-x) erfasst werden, wobei mittels eines Batteriezellenmodells (10-x) aus der erfassten Spannung und dem erfassten Strom ein Batteriezellenzustand (22-x) geschätzt wird, wobei der geschätzte Batteriezellenzustand (22-x) überwacht wird, und wobei zumindest das Bereitstellen des Batteriezellenmodells (10-x) und das Schätzen des Batteriezellenzustands (22-x) der mindestens einen Batteriezelle (21-x) mittels mindestens eines feldprogrammierbaren Gatterfeldes (4) durchgeführt wird.Method for monitoring at least one battery cell (21-x) of a battery (20), wherein a voltage and a current are recorded in a time-resolved manner at the at least one battery cell (21-x) by means of at least one sensor system (2-x), a battery cell state (22-x) being estimated from the detected voltage and the detected current by means of a battery cell model (10-x), wherein the estimated battery cell condition (22-x) is monitored, and wherein at least the provision of the battery cell model (10-x) and the estimation of the battery cell state (22-x) of the at least one battery cell (21-x) is carried out by means of at least one field-programmable gate array (4). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriezellenmodell (10-x) als Ersatzschaltbild (11-x) ausgestaltet ist, wobei als Batteriezellenzustand (22-x) zumindest Werte für Kapazitäten (C-x) und/oder Widerstände (R-x) des Ersatzschaltbildes (11-x) geschätzt und überwacht werden.procedure after claim 1 , characterized in that the battery cell model (10-x) is designed as an equivalent circuit diagram (11-x), with at least values for capacitances (Cx) and/or resistances (Rx) of the equivalent circuit diagram (11-x ) are estimated and monitored. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriezellenmodell (10-x) mittels eines Maschinenlernmodells bereitgestellt wird.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that the battery cell model (10-x) is provided by means of a machine learning model. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenlernmodell während eines Betriebs durch zumindest teilweises Umkonfigurieren des feldprogrammierbaren Gatterfelds (4) angepasst werden kann und/oder angepasst wird.procedure after claim 3 , characterized in that the machine learning model can be and/or is adapted during operation by at least partially reconfiguring the field-programmable gate array (4). Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Überwachen ein Zeitverhalten des geschätzten Batteriezellenzustands (22-x) der mindestens einen Batteriezelle (21-x) und/oder der erfassten Spannung und/oder des erfassten Stroms ausgewertet und überwacht wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a time behavior of the estimated battery cell state (22-x) of the at least one battery cell (21-x) and/or the detected voltage and/or the detected current is evaluated and monitored for monitoring. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitverhalten des geschätzten Batteriezellenzustands (22-x) der mindestens einen Batteriezelle (21-x) und/oder der erfassten Spannung und/oder des erfassten Stroms mit empirisch bestimmten Fehlerverläufen verglichen wird, wobei ein Fehler erkannt wird, wenn eine Übereinstimmung festgestellt wird.procedure after claim 5 , characterized in that the time behavior of the estimated battery cell condition (22-x) of the min at least one battery cell (21-x) and/or the detected voltage and/or the detected current is compared with empirically determined error curves, an error being recognized if a match is found. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Überwachen des Batteriezellenzustands (22-x) der mindestens einen Batteriezelle (22-x) der geschätzte Batteriezellenzustand (22-x) mit mindestens einem geschätzten Batteriezellenzustand (22-x) mindestens einer anderen Batteriezelle (21-x) verglichen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that for monitoring the battery cell state (22-x) of the at least one battery cell (22-x) the estimated battery cell state (22-x) with at least one estimated battery cell state (22-x) at least one other Battery cell (21-x) is compared. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellenzustände (22-x) mehrerer Batteriezellen (21-x) der Batterie (20) einzeln oder teilgruppenweise jeweils abwechselnd bestimmt und zum Überwachen miteinander verglichen werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the battery cell states (22-x) of several battery cells (21-x) of the battery (20) are determined alternately individually or in subgroups and compared with one another for monitoring. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik (2-x) die Spannung und den Strom mit einer Abtastrate von mindestens 300 kHz, bevorzugt von mindestens 1 MHz erfasst.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor system (2-x) detects the voltage and the current with a sampling rate of at least 300 kHz, preferably at least 1 MHz. Vorrichtung (1) zum Überwachen mindestens einer Batteriezelle (21-x) einer Batterie (20), umfassend: mindestens eine Sensorik (2-x), eingerichtet zum zeitaufgelösten Erfassen einer Spannung und eines Stroms an der mindestens einen Batteriezelle (21-x), eine Recheneinrichtung (3) mit einem Speicher, und mindestens ein feldprogrammierbares Gatterfeld (4), wobei das mindestens eine feldprogrammierbare Gatterfeld (4) dazu eingerichtet ist, mittels eines Batteriezellenmodells (10-x) aus der erfassten Spannung und dem erfassten Strom einen Batteriezellenzustand (22-x) der mindestens einen Batteriezelle (21-x) zu schätzen, und wobei das mindestens eine feldprogrammierbare Gatterfeld (4) und/oder die Recheneinrichtung (2) dazu eingerichtet sind, den geschätzten Batteriezellenzustand (22-x) zu überwachen.Device (1) for monitoring at least one battery cell (21-x) of a battery (20), comprising: at least one sensor system (2-x), set up for the time-resolved detection of a voltage and a current at the at least one battery cell (21-x), a computing device (3) with a memory and at least one field-programmable gate array (4), wherein the at least one field-programmable gate array (4) is set up to estimate a battery cell state (22-x) of the at least one battery cell (21-x) using a battery cell model (10-x) from the detected voltage and the detected current, and wherein the at least one field-programmable gate array (4) and/or the computing device (2) are set up to monitor the estimated battery cell state (22-x).
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