DE102006033629B4 - Method and device for determining the state of a battery - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Bestimmen des Zustands (Ri, SOC, SOH) einer Batterie (1) mit mehreren Zellen (1a–1n) oder Zellengruppen (2a, 2b), bei dem die Batterie (1) kurzfristig belastet und die Spannungsantwort (U(t)) einzelner Zellen (1a–1n) oder Zellengruppen (2a, 2b) ausgewertet wird, um somit den Zustand (Ri, SOC, SOH) der Zellen (1a–1n) oder Zellengruppen (2a, 2b) zu bestimmen, wobei – eine Klassifizierungsprozedur (Schritte 10–12) durchgeführt wird, bei der die Zellen (1a–1n) oder -Gruppen bzw. -Gruppen abhängig von ihrem Zustand (Ri, SOC, SOH) klassifiziert werden, und – danach eine sequentielle Diagnoseprozedur (Schritte 13–16) durchgeführt wird, bei der sich die Reihenfolge der Auswertung der Zellen (1a–1n) oder -Gruppen (2a, 2b) nach deren Klassifizierung richtet.Method for determining the state (Ri, SOC, SOH) of a battery (1) having a plurality of cells (1a-1n) or groups of cells (2a, 2b) in which the battery (1) briefly loads and the voltage response (U (t) ) of individual cells (1a-1n) or cell groups (2a, 2b) is evaluated so as to determine the state (Ri, SOC, SOH) of the cells (1a-1n) or cell groups (2a, 2b), wherein - a classification procedure (Steps 10-12), in which the cells (1a-1n) or groups are classified according to their state (Ri, SOC, SOH), and thereafter a sequential diagnostic procedure (steps 13-16 ), in which the order of evaluation of the cells (1a-1n) or groups (2a, 2b) depends on their classification.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Zustands einer Batterie gemäß Patentanspruch 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung gemäß Patentanspruch 7.The invention relates to a method for determining the state of a battery according to
Bekannte Fahrzeugbatterien, wie z. B. NiMH-Batterien, Li-Ionen-Batterien oder DLC-Batterien (DLC: Doppelschichtkondensator), bestehen aus mehreren in Reihe geschalteten Einzelzellen, die jeweils eine Teilspannung von wenigen Volt, z. B. 2 V, erzeugen. Die Anzahl der Zellen bestimmt dabei die Nennspannung der Batterie, die z. B. 12 V oder 42 V, bei Hybrid-Fahrzeugen auch 500 V betragen kann.Known vehicle batteries such. B. NiMH batteries, Li-ion batteries or DLC batteries (DLC: double-layer capacitor), consist of several series-connected single cells, each having a partial voltage of a few volts, z. B. 2 V generate. The number of cells determines the rated voltage of the battery, the z. B. 12 V or 42 V, in hybrid vehicles can also be 500V.
Aufgrund fertigungstechnischer Toleranzen oder thermischer Einflüsse ist der Ladezustand SOC (State of Charge) oder die Leistungsfähigkeit SOH (State of Health) bzw. der Innenwiderstand Ri der einzelnen Zellen üblicherweise unterschiedlich hoch. Dies beeinträchtigt die Leistungsfähigkeit der Batterie erheblich, da diejenige Zelle mit dem geringsten Ladezustand und diejenige Zelle mit dem höchsten Ladezustand für das Auf- bzw. Entladen der Batterie limitierend wirken. D. h., die Batterie kann nicht weiter aufgeladen werden, als bis die vollste Zelle voll aufgeladen ist, und nicht weiter entladen werden, als bis die Ladung der leersten Zelle verbraucht ist. Die Abweichung der einzelnen Zellen voneinander nimmt in der Regel mit zunehmender Lebensdauer bzw. Belastung der Batterie zu. Um eine zuverlässige Energieversorgung eines elektrischen Netzes zu gewährleisten, ist es notwendig, die einzelnen Zellen oder Zellengruppen der Batterie zu überwachen.Due to manufacturing tolerances or thermal influences, the state of charge SOC (state of charge) or the SOH (state of health) or the internal resistance Ri of the individual cells is usually different. This significantly affects the performance of the battery, since the cell with the lowest state of charge and the cell with the highest state of charge for the charging and discharging of the battery have a limiting effect. That is, the battery can not be recharged until the fullest cell is fully charged and will not be discharged until the charge of the void cell is exhausted. The deviation of the individual cells from each other usually increases with increasing life or load of the battery. In order to ensure a reliable power supply of an electrical network, it is necessary to monitor the individual cells or cell groups of the battery.
Hierzu ist es z. B. bekannt, die Batterie mit einem kurzen Stromimpuls (in Lade- oder Entladerichtung) zu belasten und die Spannungsantwort der einzelnen Zellen oder einzelner Zellengruppen auszuwerten. Zu diesem Zweck werden so genannte Batterie-Zustandserkennungseinrichtungen (BZE) eingesetzt, die im Grunde ein Steuergerät mit einem darin hinterlegten Algorithmus (mathematisches Modell) umfassen, der aus gemessenen Batterie-Betriebsgrößen, wie z. B. dem Batteriestrom, der Batteriespannung und der Batterietemperatur den aktuellen Batteriezustand (Ri, SOC oder SOH) berechnet.This is z. B. known to charge the battery with a short current pulse (in loading or unloading) and to evaluate the voltage response of the individual cells or individual cell groups. For this purpose, so-called battery state detection devices (BZE) are used, which basically comprise a control device with an algorithm (mathematical model) stored therein, which consists of measured battery operating variables, such. For example, the battery current, the battery voltage, and the battery temperature calculate the current battery condition (Ri, SOC, or SOH).
Die Auswertung der Spannungsantworten der einzelnen Zellen kann entweder parallel oder sequentiell erfolgen. Die parallele Auswertung ist relativ aufwendig und rechenintensiv, da insbesondere bei Hybridbatterien, die 100 und mehr Zellen umfassen können, entsprechend viele Messwerte gleichzeitig verarbeitet werden müssen. Die sequentielle Auswertung hat dagegen den Nachteil, dass zwar die Diagnose der zuerst (nach dem Stromimpuls) ausgewerteten Zellen noch relativ genau ist, die Diagnose der zuletzt ausgewerteten Zellen jedoch nur noch ungenügend mit dem tatsächlichen Zustand der Zellen korrespondiert, da die Zellenspannung in der Zeitdauer zwischen Belastung und Spannungsmessung bereits durch andere Einflüsse verändert wird. Der Zustand der Batterie kann somit nur relativ ungenau bestimmt werden. In der Druckschrift
In der Druckschrift
Die Druckschrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Diagnose von Batterien zu schaffen, das besonders genau ist und mit geringem Verarbeitungsaufwand durchgeführt werden kann.It is therefore the object of the present invention to provide a method for the diagnosis of batteries, which is particularly accurate and can be carried out with little processing effort.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 7 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.This object is achieved according to the invention by the features specified in
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, zunächst eine Klassifizierung der Zellen vorzunehmen, bei der die Zellen bzw. -Gruppen gemäß ihres Ladezustands oder ihrer Leistungsfähigkeit klassifiziert werden, und danach eine sequentielle Diagnose durchzuführen, bei der die Reihenfolge der Auswertung durch die Klassifikation bestimmt wird. Der Ladezustand bzw. die Leistungsfähigkeit bestimmt also die Reihenfolge der Auswertung und nicht die physische Anordnung der Zellen bzw. -Gruppen. Zellen bzw. Zellengruppen, deren Zustand schlecht oder sogar „kritisch” ist, werden vorzugsweise unmittelbar nach der Strombelastung, und solche, deren Zustand unbedenklich ist, zu einem späteren Zeitpunkt ausgewertet. Die Genauigkeit der Auswertung gerade von schwächeren Zellen bzw. Zellengruppen kann somit erheblich verbessert und dadurch die Zuverlässigkeit der Energieversorgung erhöht werden.An essential aspect of the invention is first to perform a classification of the cells, in which the cells or groups are classified according to their state of charge or their performance, and then to perform a sequential diagnosis, in which the order of evaluation is determined by the classification , The state of charge or the performance thus determines the order of evaluation and not the physical arrangement of the cells or Groups. Cells or groups of cells whose condition is poor or even "critical" are preferably evaluated immediately after the current load, and those whose condition is safe, at a later date. The accuracy of the evaluation of even weaker cells or groups of cells can thus be significantly improved and thereby the reliability of the power supply can be increased.
In der Klassifizierungsprozedur wird die Batterie vorzugsweise mit einem Stromimpuls belastet und die einzelnen Zellen bzw. Zellengruppen (im Folgenden nur noch „Zellen”) dann abhängig von ihrer Spannungsantwort in verschiedene Klassen, z. B. A, B und C eingeteilt. Die Klassifizierung kann sequentiell oder parallel durchgeführt werden.In the classification procedure, the battery is preferably loaded with a current pulse and the individual cells or cell groups (hereinafter referred to as "cells") then dependent on their voltage response in different classes, eg. B. A, B and C divided. The classification can be performed sequentially or in parallel.
In der späteren Diagnoseprozedur können die einzelnen Zellen, abhängig von Ihrer Klassifikation, auch häufiger oder weniger häufig ausgewertet werden. D. h., nach einer Strombelastung ist es nicht unbedingt erforderlich, sämtliche Zellen auszuwerten. Vielmehr ist es ausreichend, stärkere Zellen z. B. nur jedes n-te Mal auszuwerten. Schwächere Zellen bzw. Zellengruppen werden vorzugsweise häufiger ausgewertet. Dadurch kann der Rechenaufwand weiter verringert werden.In the later diagnostic procedure, depending on your classification, the individual cells may also be evaluated more frequently or less frequently. That is, after a current load, it is not absolutely necessary to evaluate all the cells. Rather, it is sufficient, stronger cells z. For example, evaluate only every nth time. Weaker cells or cell groups are preferably evaluated more frequently. As a result, the computational effort can be further reduced.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Zellen in der Diagnoseprozedur sequentiell ausgewertet. Eine (teilweise) parallele Auswertung ist jedoch ebenfalls denkbar.According to a preferred embodiment of the invention, the cells are evaluated sequentially in the diagnostic procedure. However, a (partially) parallel evaluation is also conceivable.
Die Klassifizierung der Zellen wird vorzugsweise in bestimmten zeitlichen Abständen neu vorgenommen. Dadurch kann auf Veränderungen einzelner Zellen im Laufe der Betriebsdauer der Batterie eingegangen werden.The classification of the cells is preferably carried out at certain time intervals. As a result, it is possible to respond to changes in individual cells during the operating life of the battery.
Die Anzahl der Klassen kann beispielsweise 3 sein, wie z. B. „starke Zellen”, „mittelstarke Zellen” und „schwache Zellen” oder Zellengruppen. Alternativ können natürlich auch mehr oder weniger Klassen eingeführt werden. Im Extremfall könnten die Zellen bzw. -Gruppe auch in der Reihenfolge ihres aktuellen Zustands sortiert werden. Je Zelle bzw. -Gruppe bildet dann quasi eine eigene „Klasse” mit nur einem Element.The number of classes can be 3, for example, such. "Strong cells", "medium cells" and "weak cells" or cell groups. Alternatively, of course, more or less classes can be introduced. In extreme cases, the cells or groups could also be sorted in the order of their current state. For each cell or group, a quasi-own "class" forms with only one element.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings. Show it:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die Einzelzellen
Um den Zustand der Batterie zu ermitteln, wird ein zweistufiges Verfahren durchgeführt, bei dem die Zellen
In der Klassifizierungsprozedur (Schritte
Je nach Reaktion der Zellen
In der folgenden Diagnoseprozedur (Schritte
In einem Diagnosezyklus müssen nicht unbedingt alle Zellen
Die Klassifizierung der Zellen
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