DE102012003100A1

DE102012003100A1 - Stromintegrator für HV-Batterien

Info

Publication number: DE102012003100A1
Application number: DE102012003100A
Authority: DE
Inventors: Andreas Gruhle
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-02-16
Filing date: 2012-02-16
Publication date: 2013-02-07

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischer Energiespeicher (ES) für Kraftwagen, der zumindest eine Zusammenschaltung von zumindest zwei Einzelzellen (Z1, Z2, ..., ZN) und zumindest eine zu der zumindest einen Zusammenschaltung in Serie geschaltete Messzelle (MZ) umfasst, bei der eine Steigung einer Kennlinie von Spannung (U) über Ladezustand (SOC) größer ist als jene der Einzelzellen (Z1, Z2, ..., ZN).

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands eines elektrischen Energiespeichers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
Im Zuge der Verknappung fossiler Treibstoffe hat die Autoindustrie die Entwicklung alternativer Antriebe vorangetrieben. In naher Zukunft werden Hybridkraftwagen sowie vollständig elektrisch angetriebene Kraftwagen den Einsatz von Verbrennungsmotoren in Kraftwagen ablösen.
Gegenwärtig kommen zum Speichern von elektrischer Energie hauptsächlich Batterien bzw. aufladbare Akkumulatoren zum Einsatz. Heutige Akkumulatoren müssen in der Lage sein, hohe Ströme – bis zu 200 A – über längere Zeitabschnitte bereitzustellen. Um eine Fahrtüchtigkeit eines elektrisch angetriebenen Kraftwagens sicherstellen zu können, muss ein Fahrer des Kraftwagens den Ladezustand seines elektrischen Energiespeichers kennen.
Ein bekanntes Verfahren zum Bestimmen des Ladungszustands bzw. Ladungsdurchsatzes eines elektrischen Energiespeichers ist die Stromintegration. Allerdings ist es bei schnell wechselnden Strömen technisch sehr schwierig, den Strom mit ausreichender Genauigkeit zu messen bzw. zu integrieren. Aus diesem Grund ist die dazu benötigte hochgenaue Elektronik noch sehr teuer.
Eine ungenaue Stromintegration bei HV-Batterien führt zu Unsicherheiten bei der Ladezustandsbestimmung (= SOC). Dies gilt insbesondere bei den immer häufiger eingesetzten Lithium-Eisenphosphatzellen, da wegen der flachen U(C)-Kennlinie der Ladezustand nicht anhand einer Zellspannung bestimmt werden kann.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen elektrischen Energiespeicher sowie ein Verfahren bereitzustellen, mit dem eine Bestimmung des Ladezustands des elektrischen Energiespeichers erheblich verbessert wird.
Diese Aufgabe wird mit einem elektrischen Energiespeicher gemäß Patentanspruch 1 sowie einem Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands eines solchen elektrischen Energiespeichers gelöst, welches die Merkmale des Patentanspruchs 6 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung schlägt einen elektrischen Energiespeicher vor, insbesondere einen Traktionsakkumulator für Kraftwagen, der zumindest eine Zusammenschaltung von zumindest zwei Einzelzellen und zumindest eine zu der zumindest einen Zusammenschaltung in Serie geschaltete Messzelle umfasst, bei der eine Steigung einer Kennlinie von Spannung über Ladezustand einer Messzelle größer ist als die der Einzelzelle. In anderen Worten weist eine Spannungsänderung delta-U pro Ladungszustandsänderung delta-SOC einer Messzelle eine größere Steigung auf als jene der Einzelzellen. Mit einem solchen Energiespeicher kann der Ladezustand besonders einfach bestimmt werden, wobei eine Stromintegration über die Messzelle erfolgt.
Gegenwärtig werden vor allem Lithium-Eisenphosphatzellen als elektrische Energiespeicher in Kraftwagen eingesetzt. Wegen einer flachen U(SOC)-Kennlinie der eingesetzten Lithium-Eisenphosphatzellen kann der Ladezustand nicht anhand der Zellspannung bestimmt werden. Aus diesem Grund wird bei der Messzelle beispielsweise auf eine Lithium-Ionenzelle in einem Strompfad zurückgegriffen, die eine ausgeprägte U(SOC)-Charakteristik hat. Dazu gehören beispielsweise Lithium-Ionenzellen mit NMC-, NCA- oder NMO-Chemie. Da die Spannung dieser Zellen ein Maß für die geflossene Ladung darstellt, eignet sich diese als idealer Stromintegrator.
Vorteilhafterweise wird die Ladungskapazität der Messzelle so gewählt, dass sie ein Vielfaches der Ladungskapazität der Einzelzelle hat. Dadurch, dass die Kapazität der Messzelle größer gewählt wird als die der anderen in Serie verschalteten Einzelzellen – Lithium-Eisenphosphatzellen – bleibt die Belastung und Alterung der Messzelle gering. Darüber hinaus stört eine solche Alterung der Messzelle nicht wesentlich, da eine damit verbundene Verschiebung der U(SOC)-Kennlinie bei jeder Voll-(ent)ladung nachgemessen/nachgeeicht werden kann. Auf diese Weise kann also der exakte Ladezustand der gesamten Batterie jederzeit festgestellt werden. Gegenüber der hochpräzisen Mess-Elektronik sind die Kosten der erfindungsgemäßen Verschaltung erheblich geringer.
Besonders geeignet sind Messzellen, deren Ladungskapazität 1,5 bis 3 mal so groß ist wie die Ladungskapazität einer Einzelzelle.
Zur Gewährleistung der Fahreigenschaften des Kraftwagens mit elektrischem Energiespeicher werden in einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform die Einzelzellen und/oder die Zusammenschaltung der Einzelzellen an ein Batteriemanagementsystem gekoppelt. Auf diese Weise kann jede Einzelzelle geregelt bzw. überprüft werden. Bereits ein Ausfall einer Einzelzelle kann dazu führen, dass der elektrische Energiespeicher des Kraftwagens überladen bzw. tiefenentladen wird. Die optimalen Eigenschaften des elektrischen Energiespeichers können nur gewährleistet werden, wenn alle Einzelzellen intakt sind. Mittels des Batteriemanagementsystems lässt sich auch die Messzelle besonders leicht überwachen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bildet ein Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere eines Traktionsakkumulators für Kraftwagen, der zumindest eine Zusammenschaltung von zumindest zwei Einzelzellen umfasst und mittels Integration eines Ladungsdurchsatzes erfolgt, der wiederum durch Stromintegration über eine Messzelle durchgeführt wird, die in Serie zu der zumindest einen Zusammenschaltung von zumindest zwei Einzelzellen geschaltet ist. Aufgrund der Stromintegration über die eine Messzelle kann auf den Ladezustand der restlichen Einzelzellen bzw. deren Zusammenschaltung geschlossen werden, weil die U(SCO)-Charakteristik der Kennlinie der Messzelle vorgegeben und damit bekannt ist. Auf diese Weise kann einfach und genau eine Spannung der Messzelle dem Ladezustand des gesamten elektrischen Energiespeichers des Kraftwagens zugeordnet werden.
In einer besonders geeigneten Ausführungsform wird die Messzelle bei einem Ladezustand zwischen 10% und 90% eines maximalen Ladezustands betrieben. So wird sichergestellt, dass die Messzelle niemals überladen bzw. tiefenentladen wird, wobei dadurch die Lebensdauer und Qualität der Messzelle garantiert wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform vergleicht ein Batteriemanagementsystem den Ladezustand zumindest einer Messzelle mit dem Ladezustand zumindest einer Einzelzelle, um den Ladezustand der Einzelzelle einstellen bzw. korrigieren zu können. Auf diese Weise kann ein ”Balancing” der Einzelzellen erfolgen.
Zusätzlich kann das Batteriemanagementsystem bei einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform eine Veränderung der Kennlinie der Messzelle auf Grund von ”Alterung” berücksichtigen bzw. lernen, wenn eine Justierung der Kennlinie auf Grund eines besonders günstigen Ladeverlaufs möglich ist, z. B. bei einer Vollladung mit einem hohen konstanten Strom, da dann die Fehler der klassischen Stromintegration gering sind.
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Die daraus hervorgehenden einzelnen Merkmale sind jedoch nicht auf die einzelnen Ausführungsformen beschränkt, sondern können mit weiter oben beschriebenen einzelnen Merkmalen und/oder mit einzelnen Merkmalen anderer Ausführungsformen verbunden werden. Die Einzelheiten in den Zeichnungen sind nur erläuternd, nicht aber beschränkend auszulegen. Die in den Ansprüchen enthaltenen Bezugszeichen sollen den Schutzbereich der Erfindung in keiner Weise beschränken, sondern verweisen lediglich auf die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen.
Es zeigen:
1 skizzenhaft ein Schaltdiagramm einer verschalteten Anordnung von Einzelzellen und einer Messzelle bzw. eines Batteriemanagementsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
2 eine qualitative Darstellung der U-SOC-Kennlinien (Ladungszustand zu Spannung) einer Messzelle im Vergleich zu einer Einzelzelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt skizzenhaft den Aufbau eines elektrischen Energiespeichers ES. Dabei umfasst der elektrische Energiespeicher ES mehrere zwischen zwei Polen HV+ und HV– angeordnete, in Serie geschaltete Einzelzellen Z1, Z2, ..., ZN und eine Messzelle MZ, die wiederum zu den Einzelzellen in Serie geschaltet ist. Über ein Batteriemanagementsystem BMS werden die Spannungen der einzelnen Zellen Z1, Z2, ..., ZN bzw. der Messzelle MZ abgegriffen. In 1 sind die einzelnen abgegriffenen Spannungen mit von den Einzelzellen Z1, Z2, ..., ZN auf das Batteriemanagement BMS weisenden Pfeilen dargestellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel können die Einzelzellen Z1, Z2, ..., ZN Lithium-Eisen-Phosphat-Zellen sein und die Messzelle MZ eine Lithium-Ionenzelle mit NCA-, NMC-, NMO-Chemie.
Der zwischen den beiden Kontakten HV+ und HV– fließende Strom wird über die Messzelle MZ in einem Batteriemanagementsystem BMS integriert und ausgewertet. Auf diese Weise kann auf einen Ladezustand SOC des elektrischen Energiespeichers ES geschlossen werden. Der von dem Batteriemanagementsystem BMS ermittelte Wert des Ladezustands SOC des elektrischen Energiespeichers ES kann über eine Schnittstelle CAN an einen Bordcomputer eines Kraftwagens weitergeleitet werden. Diese Schnittstelle CAN ist beispielsweise ein CAN-Bus (Doppelpfeil). Eine weitere Auswertung oder Steuermaßnahme durch den Bordcomputer eines Kraftwagens kann dadurch dem Fahrer den genauen Ladezustand SOC des elektrischen Energiespeichers ES übermitteln.
2 zeigt ein Diagramm, in dem qualitativ die Spannung U einer Messzelle MZ bzw. einer Einzelzelle Z1, Z2, ..., ZN gegen einen Ent-Ladezustand SOC in Prozent aufgetragen ist. Es ist deutlich zu erkennen, dass eine Lithium-Eisen-Phosphat-Kennlinie besonders flach verläuft. Eine derartig flache Kennlinie erlaubt es nicht, Schlüsse über einen Ladezustand SOC der Einzelzelle Z1, Z2, ..., ZN zu ziehen. Es ließe sich lediglich eine vollständige Entladung bzw. eine vollständige Aufladung der Einzelzelle Z1, Z2, ..., ZN bzw. des gesamten Energiespeichers ES feststellen.
Die weitere Kennlinie steht beispielsweise für eine Lithium-NCA-, Lithium-NMC- und Lithium-NMO-Kennlinie. Diese Kennlinie zeigt gegenüber einer Lithium-Eisen-Phosphat-Kennlinie eine deutliche Steigung in ihrem Verlauf auf. Deshalb eignen sich Kennlinien solcher Messzellen MZ auch besonders, um einen prozentualen (Ent-)Ladezustand SOC eines Energiespeichers ES anhand deren Spannung U wiederzugeben. Damit eine besonders genaue und zuverlässige Ermittlung des Ladezustandes SOC des gesamten elektrischen Energiespeichers ES ermöglicht wird, wird die Zellkapazität der Messzelle MZ 1,5 bis 3 mal so groß wie die Zellkapazität einer Einzelzelle Z1, Z2, ..., ZN gewählt, damit die Belastung der Messzelle und deren Alterung gering bleibt. Der „durchfahrene” Ent-Ladebereich der Messzelle MZ ergibt sich dadurch in diesem Beispiel zwischen 80% und 20% – in einer besonders bevorzugten Ausführungsform zwischen 66% und 33% –, wobei ein Start- oder Endwert so gelegt werden kann, dass z. B. ein möglichst linearer Teil der Kurve abgefahren wird, ohne zu nahe an den 100% oder 0% Ent-Ladezustand der Messzelle heranzukommen. Auf diese Art und Weise kann eine genaue Ermittlung des Ladezustands bzw. Ent-Ladezustand SOC eines elektrischen Energiespeichers ES für Kraftwagen kostengünstig ermittelt werden.
Bezugszeichenliste

Z1, Z2, ..., ZN

Einzelzellen

MZ

Messzelle

SOC

Ladungszustand (State Of Charge)

U

Spannung des Messzelle, Energiespeichers

HV+, HV–

Kontakte des Energiespeichers

ES

Energiespeicher

CAN

CAN-Bus, Schnittstelle

BMS

Batteriemanagementsystem

Claims

Elektrischer Energiespeicher (ES) für Kraftwagen, umfassend: – zumindest eine Zusammenschaltung von zumindest zwei Einzelzellen (Z1, Z2, ..., ZN), und – zumindest eine zu der zumindest einen Zusammenschaltung in Serie geschaltete Messzelle (MZ), bei der eine Steigung einer Kennlinie von Spannung (U) über Ladezustand (SOC) der Messzelle (MZ) größer ist als die jeder der Einzelzellen (Z1, Z2, ..., ZN).
Energiespeicher (ES) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ladungskapazität der Messzelle (MZ) ein Vielfaches der Ladungskapazität der Einzelzelle (Z1, Z2, ..., ZN) hat.
Energiespeicher (ES) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungskapazität der Messzelle (MZ) 1,5 bis 3 Mal so groß ist wie die Ladungskapazität einer Einzelzelle (Z1, Z2, ..., ZN).
Energiespeicher (ES) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle (MZ) an ein Batteriemanagementsystem (BMS) gekoppelt ist.
Energiespeicher (ES) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (Z1, Z2, ..., ZN) und/oder die Zusammenschaltung der Einzelzellen (Z1, Z2, ..., ZN) an ein Batteriemanagementsystem (BMS) gekoppelt sind.
Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands (SOC) eines elektrischen Energiespeichers (ES) für Kraftwagen, der zumindest eine Zusammenschaltung von zumindest zwei Einzelzellen (Z1, Z2, ..., ZN) umfasst, und mittels Stromintegration eines Ladungsdurchsatzes erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromintegration mit einer Messzelle (MZ) durchgeführt wird, die in Serie zu der zumindest einen Zusammenschaltung von zumindest Zwei Einzelzellen (Z1, Z2, ..., ZN) geschaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromintegration über die Messzelle (MZ) gemäß einer vorbestimmten U(SOC)-Kennlinie des Ladezustandes (SOC) der Messzelle (MZ) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle (MZ) bei einem Ladezustand (SOC) zwischen 10% und 90% eines maximalen Ladezustands (SOC) der Messzelle (MZ) betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Batteriemanagementsystem (BMS) den Ladezustand (SOC) zumindest einer Messzelle (MZ) dazu verwendet, den Ladezustand (SOC) zumindest einer Einzelzelle (Z1, Z2, ..., ZN) einzustellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemanagementsystem (BMS) die vorbestimmte U(SOC)-Kennlinie der Messzelle (MZ) aktualisiert und/oder justiert, wenn während eines bestimmten Lade- oder Entladevorgangs eine genaue Strommessung und Stromintegration möglich ist.