DE102012007157A1 - Verfahren zum Durchführen von Leistungsprognosen für ein Batteriesystem - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft Leistungsprognosen (Out4) von Batteriesystemen (10) mit mehreren Batteriesträngen (11, 12) sollen verbessert werden. Dazu wird ein Verfahren zum Bestimmen von Batteriegrenzwerten (Out3) und/oder Leistungsprognosen (Out4) für ein Batteriesystem (10) mit mehreren Batteriesträngen (11, 12) bereitgestellt. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Durchführen einer ersten Leistungsprognose für jeden Batteriestrang (11, 12), Auswerten der Ergebnisse (U_Pred1, U_Pred2) der ersten Leistungsprognose eines jeden Batteriestrangs (11, 12), Durchführen einer zweiten Leistungsprognose unter Berücksichtigung (RF1, RF2) eines Auswertungsergebnisses (UmaxProg, UminProg, UmaxProg*, UminProg*) der Ergebnisse (U_Pred1, U_Pred2) der ersten Leistungsprognose und Berechnen von Batteriegrenzwerten (Out3) und/oder von prognostizierten Stromwerten (Out4) für das Gesamtsystem (10) unter BerüLong, U_Pred_Short, U_Pred_Long) der zweiten Leistungsprognose.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von Batteriegrenzwerten und/oder Leistungsprognosen für ein Batteriesystem mit mehreren Batteriesträngen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Gesamt-Batteriesteuergerät. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Gesamt-Batteriesteuergerät. Jeder der Batteriestränge kann jeweils eine einzelne Batterie oder mehrere in Serie geschaltete Batterien umfassen.
  • Bei der Antriebsregelung eines Hybrid-, Brennstoffzellen- und Elektrofahrzeugs müssen in verschiedenen Steuergeräten und Softwaremodulen (beispielsweise Energiemanagement, elektrischen Antrieb, Batteriemanagementsystem, Powertrain Management) unterschiedliche Grenzwertanforderungen berücksichtigt werden. Während des Fahrbetriebs resultieren die Grenzwerte aus den Systemzuständen, wie zum Beispiel dem Ladezustand der Hochspannungsbatterie. Sie beeinflussen sich teils gegenseitig und können auch widersprüchlich sein. Da es sich um Schutzfunktionen handelt, können die Reglereingriffe abrupt sein und den Fahrkomfort beeinträchtigen. Unter Umständen kann es sogar zu Systeminstabilitäten kommen. Ziel der Systemauslegung sollte deshalb sein, diese harten Grenzen im Normalbetrieb nicht zu erreichen, sich ihnen durch die Regelung allenfalls langsam zu nähern. Durch die Verwendung eines Algorithmus zum Bestimmen der maximal möglichen Batterieleistung (für das Entladen und das Laden) kann ein Regeleingriff verhindert werden. Dieser Algorithmus wird als Leistungsprognose bezeichnet.
  • Aus der Patentschrift DE 10 2007 023 901 A1 ist eine Batterieeinheit bekannt, die eine wiederaufladbare Batterie und eine Batteriemanagementeinheit umfasst. Eine Aufgabe der Fahrzeugbatterievorrichtung besteht darin, Wertepaare für Spannung und Strom bereitzustellen, um eine Batterieleistung darzustellen, welche in einem Prognosezeitraum angefordert werden kann.
  • Werden Batteriestränge parallel verschaltet, ist die Gesamtspannung aller Batteriestränge gleich. Durch unterschiedliche Zustände der Batteriestränge (Fertigungstoleranzen, Ladezustand, Temperatur, Innenwiderstand, Kapazität, Alterung, ...) können sich jedoch verschiedene Strangströme einstellen. Die Batteriestränge erreichen somit nicht zusammen das Leistungsmaximum. Normalerweise erreicht nur ein Batteriestrang die Maximalleistung.
  • Bisher wurden die Stromgrenzwerte durch den kleinsten Stromgrenzwert (Laden und Entladen) multipliziert mit der Anzahl aller aktiven Batteriestränge bestimmt. Diese Methode ist ungenau, woraus folgt, dass die verfügbare Batterieleistung nicht genützt wird.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Ermittlung von Batteriegrenzwerten und/oder Leistungsprognosen zu ermöglichen. Es soll ein Verfahren und ein entsprechendes Gesamt-Batteriesteuergerät insbesondere für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt werden, damit eine Maximalleistung eines Batteriesystems genauer prognostiziert werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Bestimmen von Batteriegrenzwerten und/oder Leistungsprognosen für ein Batteriesystem nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird demnach ein Verfahren zum Bestimmen von Batteriegrenzwerten und/oder Leistungsprognosen für ein Batteriesystem mit mehreren Batteriesträngen bereitgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Durchführen einer ersten Leistungsprognose für jeden Batteriestrang, Auswerten der Ergebnisse der ersten Leistungsprognose eines jeden Batteriestrangs, Durchführen einer zweiten Leistungsprognose unter Berücksichtigung eines Auswertungsergebnisses der Ergebnisse der ersten Leistungsprognose und Berechnen von Batteriegrenzwerten und/oder von prognostizierten Stromwerten für das Gesamtsystem unter Berücksichtigung der Ergebnisse der zweiten Leistungsprognose.
  • In vorteilhafter Weise ist es somit möglich, Grenzwerte des Batteriesystems zu ermitteln, auch wenn nur ein Batteriestrang die Leistung des leistungsstärksten Batteriestrangs erreicht. Dies wird mittels Durchführen einer zweiten Leistungsprognose unter Berücksichtigung zumindest eines Teils der Ergebnisse der ersten Leistungsprognose und Berechnen von Batteriegrenzwerten und/oder von prognostizierten Stromwerten für das Gesamtsystem mittels der Ergebnisse der zweiten Leistungsprognose erreicht. Durch die genauere Ermittlung der Grenzwerte des Batteriesystems lässt sich eine verfügbare Batterieleistung des Batteriesystems besser ausschöpfen.
  • Vorzugsweise werden zwischen dem Schritt des Auswertens der Ergebnisse der ersten Leistungsprognose und dem Schritt des Durchführens der zweiten Leistungsprognose die Auswertungsergebnisse der Ergebnisse der ersten Leistungsprognose auf Eingänge von Prognosealgorithmen zurückgeführt, mittels derer die Ergebnisse der zweiten Leistungsprognose berechnet werden.
  • Eine bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass die auf Eingänge von Prognosealgorithmen zurückgeführten Auswertungsergebnisse der Ergebnisse der ersten Leistungsprognose mindestens einen Spannungswert umfassen.
  • Es ist zweckmäßig, wenn die Batteriegrenzwerte Grenzspannungen und/oder Grenzströme umfassen.
  • Bevorzugt ist auch, wenn der Schritt des Berechnens von Batteriegrenzwerten und/oder von prognostizierten Stromwerten ein Bestimmen eines prognostizierten Stroms für das gesamte Batteriesystem mittels Addition der prognostizierten Stromgrenzwerte jedes Batteriestrangs umfasst.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn nach dem Durchführen der ersten Leistungsprognose eine Teilmenge der Batteriestränge abgeschaltet wird, um eine Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems zu erhöhen. Hierdurch
  • Das Verfahren kann für ein Laden und/oder für ein Entladen des Batteriesystems durchgeführt werden.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, die eine schematische Übersicht über einen erfindungsgemäßen Datenfluss zur Erzeugung von modifizierten Batteriegrenzwerten und Leistungsprognosen wiedergibt.
  • Das skalierbare und modulare Batteriesystem 10 besteht aus mehreren parallel geschalteten Einzelbatterien oder aus mehreren parallel geschalteten Batteriesträngen 11, 12. Jeder Batteriestrang 11, 12 hat spezifische Grenzwerte BG1, BG2. Auch wenn Batteriestränge 11, 12 parallel zusammengeschlossen werden, ändern sich die Grenzwerte BG1, BG2 der Batteriestränge 11, 12 nicht. Die Grenzwerte BG1, BG2 müssen stets eingehalten werden. Die Grenzwerte BG1, BG2 für das Laden und Entladen umfassen beispielsweise folgende Werte: maximal zulässiger Ladestrom der Batterie beim Laden, maximal zulässige Batteriespannung beim Laden, maximal zulässige Zellenspannung beim Laden, maximal zulässiger Entladestrom der Batterie beim Entladen, kleinste zulässige Batteriespannung beim Entladen und kleinste zulässige Zellenspannung beim Entladen.
  • Grenzwertregelung durch die Leistungselektronik (der Antriebseinheit 16):
    Die Batteriesteuergeräte BMS1, BMS2 haben die Aufgabe die Zellspannungen zu überwachen und zu schützen. Werden die Grenzen der Zellspannungen nicht eingehalten, öffnet das feststellende Batteriesteuergerät BMS1, BMS2 die Batterieschütze, um eine Schadigung der Zellen zu vermeiden. Durch entsprechende Regelungen in einzelnen Fahrzeugkomponenten soll dieser Fehlerfall vermieden werden. Die von den Batteriesteuergeräten BMS1, BMS2 gebildeten Stranggrenzwerte BG1, BG2 werden von der Kurzzeit-Leistungsprognose 14 gelesen und ausgewertet und gegebenenfalls durch einen Algorithmus (Alg.1) modifiziert.
  • Die Ausgangsgrößen von Alg.3 (U_LimMax, U_LimMin) und Alg.1 (I_Pred_Short_DisChrg, I_Pred_Short_DisChrg) bilden die optimierten Batterie-Systemgrenzwerte. Diese werden der Steuerungselektronik der Antriebseinheit Pos3 übergeben. Eine Steuerelektronik wertet Grenzwerte Out3 des Gesamt-Batteriesystems 10 aus und limitiert eine Zwischenkreisspannung, einen Antriebsstrom und einen Rekuperationsstrom mittels einer Begrenzungsregelung hart auf die Systemgrenzwerte. Fällt beispielsweise die Zwischenkreisspannung unter die kleinste zulässige Spannung des Batteriesystems 10, reduziert die elektrische Antriebseinheit 16 die Leistungsaufnahme, bis die Zwischenkreisspannung wieder über oder gleich dem Grenzwert liegt. Beim Laden und Entladen einer Hochspannungsbatterie 11, 12, besteht die Gefahr, dass Grenzwerte BG1, BG2 der Batterie 11, 12 bzw. ihrer Zellen überschritten werden.
  • Die Batteriesteuergeräte BMS1, BMS2 liefern typischerweise folgende Messwerte BI1, BI2: aktuelle Batteriespannung, aktueller Batteriestrom, aktueller Ladezustand (SOC), aktuelle Batterietemperatur, aktuell kleinste Zellenspannung aller Zellen, aktuell höchste Zellenspannung aller Zellen und maximal zulässige Batteriespannung.
  • Die Spannungsgrenzwerte der Batteriestränge 11, 12 wurden bisher durch Multiplikation der Zellspannungsgrenzwerte mit der Zellenzahl berechnet. Durch Fertigungstoleranzen können die verbauten Batteriezellen unterschiedliche Kapazitäten aufweisen. Diese Unterschiede bewirken, dass beim Betreiben der Batterie 11, 12 einzelne Zellen beim Laden und Entladen die Spannungsgrenzwerte schneller als andere Zellen erreichen. Durch dieses Verhalten können die Batteriespannungsgrenzwerte nur annähernd bestimmt werden. Der reale Batteriespannungsgrenzwert wird immer durch die Zelle bestimmt, die als erstes einen der Grenzwerte erreicht.
  • Leistungsprognosen 141, 142, 181, 182:
    Zur Verbesserung der Betriebstrategie werden jeweils zwei Leistungsprognosen für das Laden und Entladen des Batteriesystems 10 berechnet.
  • Die Langzeit-Leistungsprognose 18 hat die Aufgabe, eine Leistung zu prognostizieren, die mit den vorgegebenen Grenzwerten BG1, BG2 aus Strom und Spannung möglich ist.
  • Mit den modifizierten Spannungsgrenzwerten U_LimMax, U_LimMin aus Alg.3, den Stromgrenzwerten (BG1 und BG2) der Batteriestränge 11, 12 und aus den aktuellen Batterie-Istwerten (BI1 und BI2) berechnen die Leistungsprognosen 141, 142, 181, 182 Strom- und Spannungspaare die sich einstellen, wenn die maximale Batterieleistung erreicht wird. Es werden Strom-Spannungspaare für das Laden und Entladen des Akkus berechnet.
  • Die Algorithmen/Routinen Alg.1/1, Alg.1/2, Alg.2/1, Alg.2/2 zur Berechnung der Lang- und Kurzzeitprognosewerte unterscheiden sich nicht. Die Unterscheidung zwischen Kurzzeitprognosen 141, 142 und Langzeitprognosen 181, 182 erfolgt durch verschiedene Eingangsgrößen.
  • Langzeit-Leistungsprognosen 181, 182:
    In der Betriebsart 'Entladen-Batterie/Antriebseinheit antreibend' dient als Grundlage zur Berechnung dieser Leistungsprognose der aktuell zulässige Batteriedauerstrom für das Entladen der Batterie 11, 12. In der Betriebsart 'Laden-Batterie/Antriebseinheit verzögernd (Rekuperation)' dient als Grundlage zur Berechnung dieser Leistungsprognose der aktuell zulässige Batteriedauerstrom für das Laden der Batterie 11, 12, In beiden Fällen wird der Batteriedauerstrom (für das Entladen bzw. Laden) durch die Eigenschaften der Batteriezellen vorgegeben. Zur Schonung der Batterie können diese Vorgaben mit Alg.2/3 eingeschränkt werden.
  • Kurzzeit-Leistungsprognosen 141, 142: In der Betriebsart 'Entladen-Batterie/Antriebseinheit Antreibend' dient als Grundlage zur Berechnung dieser Leistungsprognose der aktuell zulässige maximale Entladestrom der Batterie (Zelleneigenschaft). In der Betriebsart 'Laden-Batterie/Antriebseinheit in Rekuperation' dient als Grundlage zur Berechnung dieser Leistungsprognose der aktuell zulässige maximale Ladestrom der Batterie (Zelleneigenschaft). In beiden Fällen erfolgt eine Einschränkung der Grenzwerte BG1, BG2 für diese Prognose nicht.
  • Drehmomentprognose der Leistungselektronik (Antriebseinheit 16):
    In der Betriebsart 'Drehmomentprognose der Leistungselektronik' prognostiziert das Antriebssystem 16 mit den Werten der Leistungsprognose Out4 maximal mögliche Drehmomente in Abhängigkeit aktueller Motordaten (Drehzahl, Temperaturen, ...).
  • Die Erfindung ermöglicht, Grenzwerte Out3 für ein Batteriesystem 10 bestehend aus mehreren Batteriesträngen 11, 12 zu bestimmen. Es spielt dabei keine Rolle, ob das Batteriesystem 10 aus mehreren Einzelbatterien oder aus einer Batterie mit mehreren Batteriesträngen 11, 12 besteht.
  • Ablauf der Grenzwertbestimmung:
    Bestimmung der kleinsten zulässigen Batteriesystemspannung (Entladen): Damit bei allen Zellen die kleinste zulässige Zellenspannung nicht unterschritten wird, bestimmt sich der Grenzwert U_LimMin für die kleinste zulässige Batteriesystemspannung aus dem höchsten Wert aller Batterieunterspannungsgrenzwerte BG1, BG2 (Alg.3).
  • Höchste zulässige Batteriesystemspannung (Laden/Rekuperation): Damit bei allen Zellen die höchste zulässige Zellespannung nicht überschritten wird, bestimmt sich der Grenzwert U_LimMax für die höchste zulässige Batteriesystemspannung aus dem kleinsten Wert aller maximal zulässigen Batteriespannungsgrenzwerte BG1, BG2 (Alg.3).
  • Bestimmung des maximal zulässigen Entladestroms (Kurzzeitprognose 14):
    Im ersten Schritt wird für jeden Batteriestrang 11, 12 getrennt eine Maximal-Leistungsprognose 141, 142 für das Entladen durchgeführt (Alg.1/1 und Alg.1/2). Die Eingangsgrößen für diesen Algorithmus sind die spezifischen, für den Batteriestrang 11, 12 relevanten maximalen Stromgrenzwerte (BG1 und BG2) sowie die aktuellen Strang-Istwerte (BI1 und BI2). Als kleinste zulässige Spannungsgrenze wird der höchste Spannungswert aller unteren Spannungsgrenzwerte verwendet (U_LimMin aus Alg.3).
  • Nach Berechnung der Prognosewerte (Spannung und Strom) für alle Batteriestränge 11, 12 wird aus allen prognostizierten Spannungen U_Pred1, U_Pred2 die höchste Prognosespannung UmaxProg ermittelt. Ist diese Spannung UmaxProg höher als die mit Alg.3 bestimmte Grenzspannung U_LimMin, erfolgt eine erneute Berechnung der Leistungsprognosen (für alle Batteriestränge 11, 12) mit UmaxProg als unterste Spannungsgrenze U_LimMin. Es erfolgt somit eine Rückführung RF1 von UmaxProg auf die Eingänge der Algorithmen Alg.1/1 und Alg.1/2.
  • Bei UmaxProg > U_LimMin erreicht mindestens ein Batteriestrang 11, 12 bei seiner Maximalleistung die zulässige Stromgrenze, bevor die Spannungsgrenze UmaxProg erreicht ist. Ist UmaxProg U_LimMin, erreicht mindestens ein Batteriestrang 11, 12 bei seiner Maximalleistung die zulässige unterste Spannungsgrenze U_LimMin.
  • Der maximal mögliche Entladestrom I_Pred_Short_DisChrg berechnet sich anschließend aus der Summe aller prognostizierten Entladeströme (I_Pred_Short_DisChrg = I_Pred1_Short_DisChrg + I_Pred2_Short_DisChrg).
  • Bestimmung des maximal zulässigen Ladestroms (Kurzzeitprognose 14):
    Als höchste zulässige Spannungsgrenze wird der kleinste Spannungswert aller oberen Spannungsgrenzwerte verwendet (U_LimMax aus Alg.3).
  • Nach Berechnung der Prognosewerte (Spannung und Strom) für alle Batteriestränge 11, 12 aus allen prognostizierten Spannungen U_Pred1, U_Pred2 wird die kleinste Prognosespannung UminProg ermittelt. Ist diese Spannung UminProg kleiner als die mit Alg.3 bestimmte Grenzspannung U_LimMax, erfolgt eine erneute Berechnung der Leistungsprognosen (für alle Batteriestränge) mit UminProg als oberste Spannungsgrenze. Es erfolgt somit eine Rückführung RF1 von UminProg auf die Eingänge der Algorithmen Alg.1/1 und Alg.1/2.
  • Bei UminProg < U_LimMax erreicht mindestens ein Batteriestrang 11, 12 bei seiner Maximalleistung die zulässige Stromgrenze, bevor die Spannungsgrenze erreicht ist. Ist _minProg = U_LimMax, erreicht mindestens ein Batteriestrang 11, 12 bei seiner Maximalleistung die zulässige unterste Spannungsgrenze. Der maximal mögliche Ladestrom I_Pred_Short_Chrg berechnet sich anschließend aus der Summe aller prognostizierten Ladeströme (I_Pred_Short_Chrg = I_Pred1_Short_Chrg + I_Pred2_Short_Chrg).
  • Zur Bestimmung der Strom- und Spannungsgrenzen Out3 für ein Batteriesystem 10 mit mehreren Batteriesträngen 11, 12 erfolgt für jeden Batteriestrang 11, 12 getrennt eine Maximal-Leistungsprognose 141, 142. Die Ergebnisse dieser Prognosen werden ausgewertet und zu den Eingängen der Prognosealgorithmen Alg.1/1, Alg.1/2 zurückgeführt. Mit den zurückgeführten Werten erfolgt gegebenenfalls eine erneute Prognose für alle Batteriestränge 11, 12.
  • Mit den Ergebnissen dieser zweiten Prognosen werden die Batteriegrenzwerte Out3 berechnet. Die Berechnung der Stromgrenzwerte erfolgt (für Laden und Entladen) durch Addition der prognostizierten Maximalströme I_Pred1, I_Pred2 für das Laden und Entladen der Batteriestränge 11, 12.
  • Erfindungsgemäß werden Prognosewerte auf die Eingänge der Prognosealgorithmen Alg.1/1, Alg.2/2 rückgeführt bzw. rückgekoppelt und die Grenzströme mittels Addition der Prognosewerte (jeweils für das Laden und Entladen des Batteriesystems) ermittelt.
  • Werden Batteriestränge 11, 12 parallel verschaltet, ist die Gesamtspannung aller Batteriestränge 11, 12 gleich. Durch unterschiedliche Zustände der Batteriestränge 11, 12 (Ladezustand, Temperatur, Innenwiderstand, Kapazität, Alterung, ...) können sich jedoch verschiedene Strangströme einstellen. Die Batteriestränge 11, 12 erreichen somit zusammen nicht das Leistungsmaximum. Normalerweise erreicht nur ein Batteriestrang 11, 12 die Maximalleistung. Die Erfindung erkennt diesen Zustand und berechnet die Grenzwerte Out3 des Batteriesystems 10 auch dann, wenn nur ein Batteriestrang 11, 12 die Maximalleistung erreicht.
  • Bisher wurden die Stromgrenzwerte durch den kleinsten Stromgrenzwert (Laden und Entladen) multipliziert mit der Anzahl aller aktiven Batteriestränge 11, 12 bestimmt. Diese Methode ist ungenau, was zur Folge hat, dass die verfügbare Batterieleistung nicht genützt wird.
  • Ablauf Berechnung Leistungsprognose:
    Zur Berechnung der Kurzzeit-Prognosewerte (Short) für die Leistungsprognose Out4 werden folgende Eingangsgrößen verwendet:
    jeweils die Strang-Grenzwerte (BG1 und BG2):
    • – max. Ströme (Laden, Entladen),
    • – max. zulässige Batteriespannung aus Alg.3 (U_LimMax, Laden),
    • – min. zulässige Batteriespannung aus Alg.3 (U_LimMin, Entladen),
    jeweils die Strang-Istwerte (BI1 und BI2):
    • – Spannung, Strom, SOC, Zelltemperatur,
    • – max. und min. Zellspannung,
    • – weitere Istwerte.
  • Die Berechnung der Kurzzeit-Prognose für das Entladen ist identisch zu der Berechnungsmethode „Maximal zulässiger Entladestrom”. Die Berechnung der Kurzzeitprognose für das Laden ist identisch zu der Berechnungsmethode „Maximal zulässiger Ladestrom”.
  • Zur Bestimmung der Langzeit-Prognosewerte (Long) werden folgende Eingangsgrößenverwendet:
    jeweils die Strang-Grenzwerte (BG1 und BG2):
    • – max. Ströme (Laden, Entladen),
    • – max. zulässige Batteriespannung aus Alg.3 (U_LimMax, Laden),
    • – mm. zulässige Batteriespannung aus Alg.3 (U_LimMin, Entladen),
    • – max. erlaubter Batteriestrom bei „Normalfahrt” aus Alg.2/3,
    jeweils die Strang-Istwerte (BI1 und BI):
    • – Spannung, Strom, SOC, Zell-Temperatur,
    • – max. und min. Zellspannung,
    • – weitere Istwerte.
  • Einschränkung der Stromgrenzwerte für die Langzeitprognose: Es gibt verschiedene Gründe, die maximal möglichen Stromgrenzwerte (Lade- und Entladeströme) der Batteriestränge 11, 12 nicht permanent freizugeben bzw. zu nutzen. Mögliche Gründe hierfür sind beispielsweise: Batterieschonung, Batteriealterung, Batterietemperatur, Zelltemperatur und Reichweitenerhöhung. Die Blöcke „min” stellen sicher, dass die Stromgrenzwerte für die Langzeitprognosen die Werte der maximal möglichen Strangströme nicht überschreiten.
  • Die Berechnung der Langzeit-Prognose/Entladen kann folgende Schritte umfassen: Im ersten Schritt wird für jeden Batteriestrang 11, 12 getrennt eine Leistungsprognose für das Entladen durchgeführt (Alg.2/1 und Alg.2/2). Die Eingangsgrößen für diesen Algorithmus sind der für den Batteriestrang 11, 12 relevante Stromgrenzwert (I_Red_DisChrg_Max) sowie die aktuellen Strang-Istwerte (BI1 bzw. BI2). Der Stromgrenzwert I_Red_DisChrg_Max wird mit Algorithmus Alg.2/3 berechnet.
  • Als kleinste zulässige Spannungsgrenze wird der höchste Spannungswert aller unteren Spannungsgrenzwerte verwendet (U_LimMin aus Alg.3).
  • Nach Berechnung der Prognosewerte (Spannung und Strom) für alle Batteriestränge 11, 12 wird aus allen prognostizierten Spannungen U_Pred1, U_Pred2 die höchste Prognosespannung UmaxProg* ermittelt. Ist diese Spannung höher als die mit Alg.3 bestimmte Grenzspannung U_LimMin, erfolgt eine erneute Berechnung der Leistungsprognosen (für alle Batteriestränge) mit UmaxProg* als unterste Spannungsgrenze. Es erfolgt somit eine Rückführung RF2 von UmaxProg* auf die Eingänge der Algorithmen Alg.2/1 und Alg.2/2. Dieser Spannungswert stellt sich ein, wenn mindestens ein Batteriestrang 11, 12 den vorgegebenen Stromgrenzwert erreicht. Somit ist UmaxProg* = U_Pred_Long_Min.
  • Bei UmaxProg* > U_LimMin erreicht mindestens ein Batteriestrang 11, 12 den Stromgrenzwert bevor die Spannungsgrenze erreicht ist. Ist UmaxProg* = U_LimMin, erreicht mindestens ein Batteriestrang 11, 12 die zulässige unterste Spannungsgrenze. Der Stromgrenzwert wird nicht erreicht.
  • Der maximal mögliche Entladestrom I_Pred_Long_DisChrg berechnet sich anschließend aus der Summe aller prognostizierten Entladeströme (I_Pred_Long_DisChrg = I_Pred1_Long_DisChrg + I_Pred2_Long_DisChrg).
  • Die Berechnung der Langzeit-Prognose/Laden kann folgende Schritte umfassen: Im ersten Schritt wird für jeden Batteriestrang 11, 12 getrennt eine Leistungsprognose 181, 182 für das Laden durchgeführt (Alg.2/1 und Alg.2/2). Die Eingangsgrößen für diesen Algorithmus sind der für den Batteriestrang 11, 12 relevante Stromgrenzwert (I_Red_Chrg_Max) sowie die aktuellen Strang-Istwerte (BI1 bzw. BI2). Der Stromgrenzwert I_Red_Chrg_Max wird mit Algorithmus Alg.2/3 berechnet.
  • Als höchste zulässige Spannungsgrenze wird der kleinste Spannungswert aller oberen Spannungsgrenzwerte verwendet (U_LimMax aus Alg.3).
  • Nach Berechnung der Prognosewerte (Spannung und Strom) für alle Batteriestränge 11, 12 wird aus allen prognostizierten Spannungen U_Pred1, U_Pred2 die kleinste Prognosespannung ermittelt (UminProg*). Ist diese Spannung kleiner als die mit Alg.3 bestimmte Grenzspannung U_LimMax, erfolgt eine erneute Berechnung der Leistungsprognosen 181, 182 (für alle Batteriestränge), mit UminProg* als oberste Spannungsgrenze. Es erfolgt somit eine Rückführung RF2 von UminProg* auf die Eingänge der Algorithmen Alg.2/1 und Alg.2/2. Dieser Spannungswert stellt sich ein, wenn mindestens ein Batteriestrang 11, 12 den vorgegebenen Stromgrenzwert erreicht. Somit ist UminProg* = U_Pred_Long_Max.
  • Bei UminProg* < U_LimMax erreicht mindestens ein Batteriestrang 11, 12 den Stromgrenzwert, bevor die Spannungsgrenze erreicht ist. Ist UminProg* = U_LimMax erreicht mindestens ein Batteriestrang 11, 12 die zulässige oberste Spannungsgrenze. Der Stromgrenzwert wird nicht erreicht.
  • Der maximal mögliche Ladestrom I_Pred_Long_Chrg berechnet sich anschließend aus der Summe aller prognostizierten Ladeströme (I_Pred_Long_Chrg = I_Pred1_Long_Chrg + I_Pred2_Long_Chrg).
  • Erfindungsgemäß erfolgt zur Bestimmung der Leistungsprognosen Out4 für ein Batteriesystem 10 mit mehreren Batteriesträngen 11, 12 für jeden Batteriestrang 11, 12 eine getrennte Leistungsprognose 141, 142 (bzw. 181, 182). Die Ergebnisse dieser Prognosen werden ausgewertet und zu den Eingängen der Prognosealgorithmen Alg.1/1, Alg.1/2 (Alg.2/1, Alg.2/2) zurückgeführt. Mit den zurückgeführten Werten (Spannungen) erfolgt gegebenenfalls eine erneute Prognose 141, 142 (bzw. 181, 182) für alle Batteriestränge 11, 12. Das Ergebnis der neuen Prognose enthält die korrigierten Spannungswerte. Die Berechnung der Stromgrenzwerte I_Pred_Long_DisChrg, I_Pred_Long_Chrg erfolgt (für Laden und Entladen) durch die Addition der prognostizierten Maximalströme I_Pred1, I_Pred2 für das Laden und Entladen der Batteriestränge 11, 12.
  • Werden Batteriestränge 11, 12 parallel verschaltet, ist die Gesamtspannung aller Batteriestränge 11, 12 gleich. Durch unterschiedliche Zustände der Batteriestränge 11, 12 (Ladezustand, Temperatur, Innenwiderstand, Kapazität, Alterung, ...) können sich jedoch verschiedene Strangströme BI1, BI2 einstellen. Die Batteriestränge 11, 12 erreichen somit nicht zusammen das Leistungsmaximum. Normalerweise erreicht nur ein Batteriestrang 11, 12 die Maximalleistung.
  • Die Erfindung erkennt diesen Zustand und berechnet die Werte Out4 der Leistungsprognose 14, 18 auch wenn nur ein Batteriestrang 11, 12 die vorgegebenen Grenzwerte BG1, BG2 erreicht. Die bisherigen Methoden berücksichtigen nicht, dass sich parallel geschaltete Batteriestränge 11, 12 unterschiedlich verhalten.
  • Durch die verbesserte Leistungsprognose 14, 18 kann die verfügbare Leistung jedes vorhandenen Batteriestrangs 11, 12 bestimmt werden. Da ein leistungsschwacher Batteriestrang 11, 12 die Gesamtleistung Out4 des Batteriesystems 10 erheblich einschränken kann, ist es sinnvoll, schwache Batteriestränge 11, 12 abzuschalten, um eine Leistungsfähigkeit des Gesamtbatteriesystems 10 zu erhöhen.
  • Die beschriebenen Ausführungsformen können auf beliebige Reglerstrukturen übertragen werden. Beispielsweise kann das Verfahren in einem Gesamtbatterie-Steuergerät 20, in verschiedenen Steuergeräten, in der Leitungselektronik eines E-Antriebs, direkt in einem Batteriemanagementsystem oder in einem Antriebsteuergerät vorgesehen sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Batteriesystem
    11
    erster Batteriestrang
    12
    zweiter Batteriestrang
    14
    Kurzzeitprognose
    16
    Antriebseinheit
    18
    Langzeitprognose
    20
    Gesamtbatterie-Steuergerät
    Alg.
    Algorithmus
    BG1
    Batteriegrenzwerte des ersten Strangs
    BG2
    Batteriegrenzwerte des zweiten Strangs
    BMS1
    Batteriesteuergerät des ersten Strangs
    BMS2
    Batteriesteuergerät des zweiten Strangs
    Out3
    Grenzwerte für Gesamtbatteriesystem
    Out4
    Leistungsprognose für Gesamtbatteriesystem
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102007023901 A1 [0003]

Claims (9)

  1. Verfahren zum Bestimmen von Batteriegrenzwerten (Out3) und/oder Leistungsprognosen (Out4) für ein Batteriesystem (10) mit mehreren Batteriesträngen (11, 12), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Durchführen einer ersten Leistungsprognose für jeden Batteriestrang (11, 12), – Auswerten der Ergebnisse (U_Pred1, U_Pred2) der ersten Leistungsprognose eines jeden Batteriestrangs (11, 12), – Durchführen einer zweiten Leistungsprognose unter Berücksichtigung (RF1, RF2) eines Auswertungsergebnisses (UmaxProg, UminProg, UmaxProg*, UminProg*) der Ergebnisse (U_Pred1, U_Pred2) der ersten Leistungsprognose und – Berechnen von Batteriegrenzwerten (Out3) und/oder von prognostizierten Stromwerten (Out4) für das Gesamtsystem (10) unter Berücksichtigung der Ergebnisse (I_Pred_Short, I_Pred_Long, U_Pred_Short, U_Pred_Long) der zweiten Leistungsprognose.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zwischen dem Schritt des Auswertens der Ergebnisse der ersten Leistungsprognose und dem Schritt des Durchführens der zweiten Leistungsprognose die Auswertungsergebnisse (UmaxProg, UminProg, UmaxProg*, UminProg*) der Ergebnisse (U_Pred1, U_Pred2) der ersten Leistungsprognose auf Eingänge von Prognosealgorithmen (Alg.1/1, Alg.1/2. Alg.2/1, Alg.2/2) zurückgeführt werden, mittels derer die Ergebnisse (I_Pred_Short, I_Pred_Long, U_Pred_Short, U_Pred_Long) der zweiten Leistungsprognose berechnet werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die auf Eingänge von Prognosealgorithmen (Alg.1/1, Alg.1/2. Alg.2/1, Alg.2/2) zurückgeführten Auswertungsergebnisse (UmaxProg, UminProg, UmaxProg*, UminProg*) der Ergebnisse (U_Pred1, U_Pred2) der ersten Leistungsprognose mindestens einen Spannungswert umfassen.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Batteriegrenzwerte (Out3, Out4) Grenzspannungen und/oder Grenzströme umfassen.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Schritt des Berechnens von Batteriegrenzwerten (Out3) und/oder von prognostizierten Stromwerten (Out4) ein Bestimmen eines prognostizierten Stroms (I_Pred_Short, I_Pred_Long) für das gesamte Batteriesystem (10) mittels Addition der prognostizierten Stromgrenzwerte (I_Pred1, I_Pred2) jedes Batteriestrangs (11, 12) umfasst.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei nach dem Durchführen der ersten Leistungsprognose eine Teilmenge der Batteriestränge (11, 12) abgeschaltet wird, um eine Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems (10) zu erhöhen.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verfahren für ein Laden und/oder für ein Entladen des Batteriesystems (10) durchgeführt wird.
  8. Gesamtbatterie-Steuergerät (20), dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtbatterie-Steuergerät (20) zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 vorbereitet ist.
  9. Kraftfahrzeug mit einem Gesamtbatterie-Steuergerät (20) nach Anspruch 8.
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