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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Batteriesysteme, insbesondere Batteriesysteme, die ausgestattet sind, um zur Steuerung einer Energieabgabe oder zum Durchführen eines Ladeverfahrens eine Strom- und Spannungsmessung an Einzelzellen auszuführen.
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Stand der Technik
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Zur Durchführung von Ladeverfahren, insbesondere eines CC/CV-Ladeverfahrens, ist die Kenntnis eines durch eine Batterieanordnung aus mehreren Einzelzellen fließenden Stroms und der Zellenspannung notwendig, um ein Überladen der Einzelzellen zu vermeiden. Aus dem Stand der Technik sind zur Messung eines Stromflusses in einer Batterieanordnung Messverfahren bekannt, die einen Spannungsabfall über einem Messwiderstand (Shunt), eine induzierte Spannung oder einen Hall-Effekt auswerten. Die Auswertung erfolgt in der Regel durch Messen einer vom Stromfluss abhängigen Spannung.
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So beschreibt die Druckschrift
DE 10 2010 028088 A1 Verfahren zum Messen eines Batteriestroms in einem Kraftfahrzeug, wobei der Batteriestrom durch einen Messwiderstand fließt und eine an dem Messwiderstand abfallende Messspannung gemessen wird.
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Die Zellenspannungen werden mit bereits existierenden Spannungsmesselementen für Batteriesysteme erfasst, wobei Bauteile erhältlich sind, die zur Messung der Zellenspannungen von bis zu 12 Einzelzellen ausgelegt sind.
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Die üblichen Verfahren zur Strommessung sind aufwändig und erfordern zusätzliche Spannungsmesseinheiten, so dass der Aufbau eines derartigen Batteriesystems insgesamt aufwändiger wird.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vereinfachte Strommessung in Batteriesystemen vorzusehen, bei der insbesondere die Anzahl der verwendeten Spannungsmesseinheiten reduziert werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zur Strommessung in einer Batterieanordnung gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung, das Batteriesystem und das Computerprogrammprodukt gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Ermitteln eines Stroms durch eine Batterieanordnung mit einer oder mehreren Einzelzellen in Reihenschaltung vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- – Bestimmen eines Innenwiderstands der Einzelzelle mithilfe einer vorgegebenen Innenwiderstandsfunktion;
- – Messen einer Zellenspannung der Einzelzelle;
- – Bereitstellen einer Zellentemperatur der Einzelzelle; und
- – Ermitteln des Stroms durch die Einzelzelle abhängig von dem Innenwiderstand, der Zellenspannung und der Zellentemperatur mithilfe einer Stromermittlungsfunktion.
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Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, die Messung eines durch die Batterieanordnung fließenden Stroms mithilfe einer Spannungsmessung an einer Einzelzelle vorzunehmen. So kann der Strom durch eine Einzelzelle anhand einer Messung der Zellenspannung und der Zellentemperatur sowie in Kenntnis des Innenwiderstandes der Einzelzelle ermittelt werden.
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Auf diese Weise kann der Strom durch die Einzelzelle mit der Erfassung der Zellenspannung der Einzelzelle kombiniert werden, so dass eine zusätzliche Strommessung nicht mehr erforderlich ist.
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Weiterhin kann der Innenwiderstand der Einzelzelle aus einem Ladezustand ermittelt werden, wobei der Ladezustand abhängig von einer Leerlaufspannung und einer entsprechenden Zellentemperatur bereitgestellt wird. Gemäß einer Ausführungsform kann die Leerlaufspannung im stromlosen Zustand der Batterieanordnung ermittelt werden.
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Es kann also zunächst in einem stromlosen Zustand eine Leerlaufspannung der Einzelzelle und deren Zellentemperatur gemessen und diese mithilfe eines der Einzelzelle zugeordneten Kennfelds einem Ladezustand zugeordnet werden. Der so ermittelte Ladezustand und die Zellentemperatur der Einzelzelle bestimmen weiterhin einen Innenwiderstand der Einzelzelle. Nach dem Aktivieren des Systems, d. h. es fließt ein Strom durch die Batterieanordnung, kann anhand der nun anliegenden Zellenspannung an der Einzelzelle, der Zellentemperatur der Einzelzelle und des zuvor ermittelten Innenwiderstands der Einzelzelle mithilfe einer vorgegebenen Stromermittlungsfunktion ein Strom durch die Einzelzelle ermittelt werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Ladezustand weiterhin abhängig von einem Integrationswert des Stroms ermittelt wird.
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Der abhängig von einer Leerlaufspannung und einer Zellentemperatur ermittelte Ladezustand kann abhängig von einem vorgegebenen Korrekturfaktor mit dem Integrationswert des Stroms korrigiert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Stroms durch eine Batterieanordnung mit einer oder mehreren Einzelzellen in Reihenschaltung vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um:
- – einen Innenwiderstand der Einzelzelle mithilfe einer vorgegebenen Innenwiderstandsfunktion zu bestimmen;
- – eine Zellenspannung der Einzelzelle zu messen;
- – eine Zellentemperatur der Einzelzelle bereitzustellen; und
- – den Strom durch die Einzelzelle abhängig von dem Innenwiderstand, der Zellenspannung und der Zellentemperatur mithilfe einer Stromermittlungsfunktion zu ermitteln.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Batteriesystem mit einer Batterieanordnung und der obigen Vorrichtung vorgesehen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogrammprodukt vorgesehen, das einen Programmcode enthält, der auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist und der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinrichtung ausgeführt wird, das obige Verfahren durchführt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Batteriesystems mit einer Batterieanordnung und einer Vorrichtung zum Bestimmen eines Stroms durch die Batterieanordnung;
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2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens zum Bestimmen eines Stroms durch die Batterieanordnung; und
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3 ein Funktionsdiagramm zur Veranschaulichung der Funktion zum Bestimmen eines Stroms durch die Batterieanordnung.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt ein Batteriesystem 1 mit einer Batterieanordnung 2, die eine Reihenschaltung von Einzelzellen 3 oder Gruppen von zueinander parallel geschalteten Einzelzellen 3 aufweist. Zum Durchführen von Ladeverfahren für ein Batteriemanagement, das eine Energieentnahme aus der Batterieanordnung steuert, ist es wichtig, den durch die Batterieanordnung 2 fließenden Strom und die an den Einzelzellen 3 anliegenden Zellenspannungen zu erfassen und in geeigneter Weise auszuwerten.
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Zur Erfassung der Zellenspannungen ist eine Spannungsmessvorrichtung 4 vorgesehen, die in der Lage ist, Spannungsangaben über die Zellenspannungen jeder der Einzelzellen 3 zu erfassen und entsprechende Zellenspannungsangaben einer Recheneinheit 5 bereitzustellen. Dazu können in der Spannungsmessvorrichtung 4 geeignete Analog-Digital-Wandler vorgesehen sein, die die jeweilige Zellenspannung digitalisieren und eine entsprechende digitale Angabe an die Recheneinheit 5 bereitstellen.
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Mindestens eine der Einzelzellen 3 ist mit einem Temperatursensor 6 thermisch gekoppelt. Der Temperatursensor 6 ist dazu direkt an oder in der betreffenden Einzelzelle 3 angeordnet, so dass deren Temperatur an den Temperatursensor 6 übertragen wird. Der Temperatursensor 6 ist mit der Recheneinheit 5 verbunden, so dass dort eine Angabe über eine Temperatur an dem Temperatursensor 6 erfasst und zur weiteren Bewertung verwendet werden kann.
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Es ist weiterhin ein Batteriemanagementsystem 10 vorgesehen, das die Energieflüsse in die bzw. aus der Batterieanordnung 2 überwacht und steuert. In dem Batteriemanagementsystem 10 steht eine Information darüber zur Verfügung, ob das System stromlos ist, d. h. kein Lade- oder Entladevorgang vorliegt, oder ob Energie aus der Batterieanordnung 2 entzogen wird oder diese geladen wird. Diese Angabe wird mithilfe einer Zustandsgröße Z an die Recheneinheit 5 kommuniziert.
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Im Folgenden wird in Verbindung mit dem Flussdiagramm der 2 sowie dem Funktionsdiagramm der 3 das Verfahren zum Bestimmen des Stroms durch die Batterieanordnung 2 näher beschrieben.
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Zunächst wird in Schritt 51 überprüft, ob die Zustandsgröße Z angibt, dass die Batterieanordnung 2 stromlos geschaltet ist. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S2 fortgesetzt, andernfalls (Alternative: Nein) wird zu Schritt 51 zurückgesprungen. Zur Strommessung kann der stromlose Zustand der Batterieanordnung 2 auch aktiv herbeigeführt werden, indem das Batteriemanagementsystem 10 einen geeigneten Zeitpunkt bestimmt, zu dem ein Abrufen von elektrischer Energie von der Batterieanordnung 2 nicht benötigt wird und auch kein Ladevorgang ausgeführt wird. Wenn die Angabe über den Strom durch die Batterieanordnung 2 regelmäßig abgefragt werden muss, so kann das Batteriemanagementsystem 10 die Batterieanordnung 2 in regelmäßigen Abständen für eine bestimmte Zeitdauer stromlos schalten und dies mit dem Energiebedarf von Verbrauchern koordinieren. Das Batteriemanagementsystem 10 hat dann die Aufgabe, die Phasen, während derer die Batterieanordnung 2 keine elektrische Energie bereitstellt, mit etwaigen angeschlossenen Verbrauchern zu koordinieren.
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Wurde in Schritt 51 festgestellt, dass die Batterieanordnung 2 stromlos ist (Alternative: Ja), so wird an einer der Einzelzellen 3, an der eine Strommessung vorgenommen werden soll, mithilfe der Spannungsmesseinheit 4 eine Zellenspannung UZelle gemessen, die im stromlosen Zustand einer Leerlaufspannung U0CV entspricht.
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In Schritt S3 wird die Zellentemperatur der betreffenden Einzelzelle 3 mithilfe des Temperatursensors 6 gemessen.
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Anhand der gemessenen Leerlaufspannung U0CV und der Zellentemperatur T wird in einem Ladezustandsermittlungsblock 51, der in der Recheneinheit 5 realisiert sein kann, ein Ladezustand SOC0CV der betreffenden Einzelzelle 3 mithilfe einer ersten Ladezustandsfunktion, z. B. einem Ladezustandskennfeld, gemäß Schritt S4 ermittelt. Der Ladezustand wird in herkömmlicher Weise, d. h. in Form einer Prozentangabe angegeben.
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In Schritt S5 wird basierend auf dem zuvor ermittelten Ladezustand SOC0CV und der Zellentemperatur T gemäß einer Innenwiderstandsfunktion, die mithilfe eines vorgegebenen Innenwiderstandskennfelds für die bestimmte Einzelzelle 3 bereitgestellt werden kann, in einem Innenwiderstandsermittlungsblock 52 basierend auf dem Ladezustand SOC0CV der Einzelzelle 3 und der Zellentemperatur T der betreffenden Einzelzelle 3 ein Innenwiderstand Ri der Einzelzelle 3 ermittelt.
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In Folge wird in einem Schritt S6 abgefragt, ob das Batteriemanagementsystem 10 das Batteriesystem 1 aktiviert hat, so dass ein Strom durch die Batterieanordnung 2 fließt. Dies wird durch eine geänderte Zustandsgröße Z, d. h. einen bestimmten Wert der Zustandsgröße, der sich von dem in Schritt 51 erhaltenen Wert unterscheidet, angegeben. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S7 fortgesetzt, andernfalls (Alternative: Nein) wird zu Schritt S6 zurückgesprungen. Alternativ zu der Abfrage des Schritts S6 kann der aktivierte Zustand des Batteriesystems 1 auch in einem alternativen Schritt S6 zur Vervollständigung der Strommessung aktiv herbeigeführt werden.
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Wurde in Schritt S6 festgestellt, dass das Batteriesystem 1 aktiviert worden ist (Alternative: Ja), so dass aufgrund eines Ladevorgangs oder eines Energieabrufs ein Stromfluss durch die Batterieanordnung 2 erfolgt, so wird in Schritt S7 erneut eine Messung der Zellenspannung UZelle durchgeführt, um eine entsprechende Angabe über die nun vorliegende Zellenspannung UZelle zu erhalten.
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Weiterhin wird in Schritt S8 entweder eine Temperaturmessung der betreffenden Einzelzelle 3 durchgeführt oder der zuvor ermittelte Temperaturwert übernommen, wenn dessen Messung bereits eine für thermische Messungen nicht signifikante Zeitdauer zurück liegt. Dies ist aufgrund der thermischen Trägheit möglich.
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In einem Stromermittlungsblock 53 wird nun gemäß Schritt S9 aus dem Innenwiderstand Ri, der Zellenspannung UZelle, der Zellentemperatur TZelle der Zellenstrom IZelle durch die Einzelzelle 3 gemäß einer Zellenstromfunktion ermittelt. Die Zellenstromfunktion kann mithilfe eines Zellenstromkennfelds vorgegeben werden. Bei Reihenschaltungen von Einzelzellen 3 in der Batterieanordnung entspricht der Zellenstrom IZelle dem Strom durch die Batterieanordnung.
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Die Schritte S7 bis S9 werden zyklisch durchgeführt, so dass aufeinanderfolgende Werte des Zellenstroms IZelle erhalten werden.
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Der in dem Ladezustandsermittlungsblock 51 anfänglich ermittelte Ladezustand SOC(t0) = SOC0CV kann nun durch den Verlauf des ermittelten Stroms IZelle korrigiert werden. Dazu wird in Schritt S10 der in dem Stromermittlungsblock 53 ermittelten Stromwert IZelle in einem Integrationsblock 54 integriert. SoCI = ∫Idt
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Die Angabe über den momentanen Ladezustand SOC(t0 + Δt) kann in einem Schritt S11 in einem Ladezustandsberechnungsblock 55 wie folgt ermittelt werden SOC(t0 + Δt) = KF × SOCI + (1 – KF)SOC0CV(t0) wobei t0 der Zeitdauer seit der Bestimmung des Ladezustands SOC0CV aus der Leerlaufspannung zum Zeitpunkt t0 entspricht, t0 + Δt dem Zeitpunkt der Ladezustandsermittlung entspricht, wobei KF als Korrekturfaktor gemäß einer vorgegebenen Korrekturfaktorfunktion entsprechend = F(Δt, U, T) z. B. aus einem Korrekturfaktorkennfeld ermittelt wird, SOCI dem aus der Integration des Zellenstroms IZelle ermittelten Ladezustand und SOC0CV dem während eines deaktivierten Zustands aus der Leerlaufspannung U0CV ermittelten Ladezustand entsprechen.
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Auf diese Weise wird erreicht, dass sich eine Angabe über den momentanen Ladezustand SOC(t0 + Δt) auch aus einer Integration des im aktiven Zustand der Batterieanordnung 2 fließenden Stroms ergibt. Dies ist vorteilhaft, da ein Stromlosschalten der Batterieanordnung 2 in einem laufenden Betrieb eines Gesamtsystems nicht zu jeder Zeit möglich ist.
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In Schritt S12 wird anhand des neuen Ladezustands SOC(t0 + Δt) ein korrigierter Wert des Innenwiderstandes Ri ermittelt, der bei einer erneuten Ausführung des Schritts S9 zur Berechnung des momentanen Stroms IZelle zugrunde gelegt wird, sofern nicht ein stromloser Zustand vorausgegangen ist, bei dem der Innenwiderstand aus der Leerlaufspannung in Schritt S5 ermittelt werden konnte.
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In Schritt S13 wird die Zustandsgröße Z abgefragt und festgestellt, ob das Batteriesystem 1 weiterhin aktiviert ist. Ist das Batteriesystem 1 weiterhin aktiviert (Alternative: Ja), so wird zu Schritt S7 zurückgesprungen, um die zyklische Ermittlung des Zellenstroms IZelle durchzuführen. Andernfalls (Alternative: Nein) wird das Verfahren mit Schritt S2 fortgesetzt. Auf diese Weise lässt sich ein kontinuierlicher Verlauf von Stromwerten durch die Batterieanordnung 2 ermitteln.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriesystem
- 2
- Batterieanordnung
- 3
- Einzelzelle
- 4
- Spannungsmessvorrichtung
- 5
- Recheneinheit
- 6
- Temperatursensor
- 10
- Batteriemanagementsystem
- 51
- Ladezustandsermittlungsblock
- 52
- Innenwiderstandsermittlungsblock
- 53
- Stromermittlungsblock
- 54
- Integrationsblock
- 55
- Ladezustandsfunktionsblock
- Ri
- Innenwiderstand
- UZelle
- Zellenspannung
- TZelle
- Zellentemperatur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010028088 A1 [0003]
