DE102012019085A1 - Method for monitoring battery arrangement with multiple battery cells for battery system, involves executing control for operating battery arrangement, so that operating range of battery cells is maintained - Google Patents
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Abstract
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft Batterieanordnungen mit mehreren Batteriezellen und insbesondere Maßnahmen zum Erhöhen der Lebensdauer der Batteriezellen in der Batterieanordnung.The invention relates to battery arrangements with a plurality of battery cells and, in particular, to measures for increasing the service life of the battery cells in the battery arrangement.
Stand der TechnikState of the art
Batterieanordnungen für Batteriemanagementsysteme werden insbesondere aus einer Vielzahl von Batteriezellen, insbesondere Lithium-Ionen-Zellen, für die Anwendung in Elektro- oder Hybridfahrzeugen vorgesehen. Die Batterieanordnungen umfassen dabei Reihen-/Parallelschaltungen einer Mehrzahl von Batteriezellen.Battery arrangements for battery management systems are provided in particular from a plurality of battery cells, in particular lithium-ion cells, for use in electric or hybrid vehicles. In this case, the battery arrangements comprise series / parallel circuits of a plurality of battery cells.
Jede einzelne der Batteriezellen muss zur Vermeidung einer Schädigung oder Zerstörung sowie zum Schutz vor beschleunigter Alterung bezüglich einer oder mehrerer Betriebsgrößen innerhalb bestimmter Betriebsbereiche betrieben werden. So ist ein Betrieb jeder der Batteriezellen mit einer Zellenspannung unterhalb einer maximalen Spannung, der so genannten Ladeschlussspannung, sowie oberhalb einer minimalen Spannung, der so genannten Entladeschlussspannung, vorteilhaft, da ein dauerhaftes Einhalten dieser Betriebsbedingungen eine maximale Lebensdauer der Batteriezelle garantiert. Das gleiche gilt für die Betriebstemperatur jeder der Batteriezellen, wobei jeweils in Abhängigkeit von der Art der Batteriezellen ein Temperaturbereich existiert, in dem eine maximale Lebensdauer sowie ein Schutz vor einer Schädigung oder Zerstörung der Batteriezelle gewährleistet ist.Each of the battery cells must be operated to prevent damage or destruction and to protect against accelerated aging with respect to one or more operating variables within certain operating ranges. Thus, an operation of each of the battery cells with a cell voltage below a maximum voltage, the so-called charge end voltage, as well as above a minimum voltage, the so-called discharge voltage, advantageous since a long-term compliance with these operating conditions guarantees a maximum life of the battery cell. The same applies to the operating temperature of each of the battery cells, in each case depending on the type of battery cells, a temperature range exists in which a maximum life and protection against damage or destruction of the battery cell is ensured.
Aus der Druckschrift
Durch das Überwachen der Einzelzellenspannungen von verschiedenen Batteriezellen einer Batterieanordnung können schädliche oder fehlerhafte Betriebszustände des Batterieenergiespeichers zügig erkannt werden. Durch entsprechende Maßnahmen, wie beispielsweise eine Abschaltung des Batterieenergiespeichers oder eines Teils davon, kann eine vollständige, schädigende Entladung zumindest eines Teils des Batterieenergiespeichers verhindert werden.By monitoring the single-cell voltages of different battery cells of a battery assembly, harmful or faulty operating states of the battery energy storage can be detected quickly. By appropriate measures, such as a shutdown of the battery energy storage or a part thereof, a complete, harmful discharge of at least a portion of the battery energy storage can be prevented.
Aus der Druckschrift
Aus der Druckschrift
Aus der Druckschrift
Ein Nachteil der obigen Batteriemanagementsysteme besteht darin, dass die Grenzen der Betriebsgrößen, innerhalb derer ein optimaler Betrieb der Batteriezellen gewährleistet ist, in der Regel fließend sind und bei Definition eines festgelegten Fensters für die Betriebsgröße häufig zu weit gehende Maßnahmen, wie beispielsweise das Abschalten der Batterieanordnung, ergriffen werden, die zum Schutz der einzelnen Batteriezellen in der Regel unangemessen sind und die Verwendbarkeit der Batterieanordnung z. B. für Traktionsanwendungen einschränken.A disadvantage of the above battery management systems is that the limits of the operating quantities within which optimum operation of the battery cells is ensured are usually fluent and when defining a fixed window for the operating size often too far-reaching measures, such as switching off the battery assembly , which are generally inappropriate for the protection of individual battery cells and the usability of the Battery arrangement z. B. for traction applications.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Überwachung einer Steuerung zum Betreiben von Batteriezellen einer Batterieanordnung zur Verfügung zu stellen, bei der eine Schutzmaßnahme nur dann ergriffen wird, wenn sie zum Schutz der einzelnen Batteriezellen notwendig ist.It is an object of the present invention to provide an improved monitoring of a control for operating battery cells of a battery arrangement, in which a protective measure is taken only if it is necessary for the protection of the individual battery cells.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Überwachen einer Steuerung für eine Batterieanordnung gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung zum Überwachen einer Steuerung für eine Batterieanordnung und das Computerprogrammprodukt gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.This object is achieved by the method for monitoring a controller for a battery assembly according to
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further advantageous embodiments of the present invention are specified in the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Überwachen einer Steuerung für eine Batterieanordnung mit mehreren Batteriezellen vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- – Durchführen einer Regelung zum Betreiben der Batterieanordnung, so dass mindestens ein Betriebsbereich der Batteriezellen eingehalten wird;
- – Überwachen einer Betriebsgröße bezüglich eines ersten vorgegebenen Betriebsgrößenbereichs und eines zweiten vorgegebenen Betriebsgrößenbereichs; und
- – Feststellen eines ersten Fehlers, wenn die Betriebsgröße für mehr als eine vorgegebene Zeitdauer außerhalb des ersten Betriebsgrößenbereichs und innerhalb des zweiten Betriebsgrößenbereichs liegt.
- - Performing a control for operating the battery assembly, so that at least one operating range of the battery cells is maintained;
- - monitoring an operating variable with respect to a first predetermined operating range and a second predetermined operating range; and
- Detecting a first error when the operating quantity is outside the first operating range and within the second operating range for more than a predetermined period of time.
Eine Idee des obigen Überwachungsverfahrens besteht darin, die Funktion einer Steuerung zum Betreiben einer Batterieanordnung, und insbesondere zum Laden und Entladen, zu überwachen. In der Regel übernimmt die Steuerung die Funktion des Ladens und Entladens so, dass beim Laden keine höheren Zellenspannungen als eine Ladeschlussspannung und beim Entladen keine niedrigeren Zellenspannungen als die Entladeschlussspannung angenommen werden. Weiterhin übernimmt die Steuerung in der Regel eine Steuerung des Zellenstroms, so dass eine Strombegrenzung realisiert wird. Insgesamt berücksichtigt die Steuerung, dass Betriebsgrößen innerhalb von jeweiligen vorgegebenen Batteriezellenindividuellen Betriebsbereichen gehalten werden.One idea of the above monitoring method is to monitor the function of a controller for operating a battery assembly, and in particular for charging and discharging. As a rule, the controller assumes the function of charging and discharging in such a way that no higher cell voltages than a final charge voltage are accepted during charging and no lower cell voltages than the final discharge voltage during discharge. Furthermore, the controller usually takes over a control of the cell current, so that a current limit is realized. Overall, the controller takes into account that operating variables are kept within respective predetermined battery cell individual operating ranges.
Das obige Verfahren sieht nun vor, diese Steuerung zu überwachen, indem ein erstes Betriebsgrößenfenster vorgegeben wird, das eine erste Betriebsgrößenobergrenze größer als einen durch die Steuerung vorgegebenen oberen Grenzwert für eine Betriebsgröße und eine erste Betriebsgrößenuntergrenze kleiner als einen durch die Steuerung vorgegebenen unteren Grenzwert für die Betriebsgröße vorsieht. Der durch die erste Betriebsgrößenobergrenze und die erste Betriebsgrößenuntergrenze definierte erste Betriebsgrößenbereich stellt einen sicheren Betriebsgrößenbereich dar, wobei die Batteriezellen innerhalb dieses ersten Betriebsgrößenbereichs der Batterieanordnung zwar ohne Schädigung oder Zerstörung betrieben werden können, jedoch ein dauerhafter Betrieb innerhalb des ersten Betriebsgrößenbereichs aber außerhalb des Steuerungsbereichs eine Verstärkung bzw. Beschleunigung von Alterungseffekten zur Folge hätte.The above method now provides to monitor this control by providing a first operating size window having a first operating limit upper limit greater than an upper limit set by the controller for an operating quantity and a first operating magnitude lower limit less than a lower limit set by the controller Company size provides. The first operating variable range defined by the first upper operating limit and the first lower operating limit represents a safe operating variable range, wherein the battery cells within this first operating range of the battery assembly can be operated without damage or destruction, but a permanent operation within the first operating range but outside the control range gain acceleration of aging effects.
Darüber hinaus wird für die Betriebsgröße eine zweite Betriebsgrößenobergrenze und eine zweite Betriebsgrößenuntergrenze eines zweiten Betriebsgrößenfensters vorgegeben, die größer als die erste Betriebsgrößenobergrenze bzw. kleiner als die erste Betriebsgrößenuntergrenze ist und die einen zweiten Betriebsgrößenbereich vorgeben. Die Batteriezellen können innerhalb dieses zweiten Betriebsgrößenbereichs zwar noch betrieben werden, jedoch hätte bereits ein kurzzeitiger Betrieb innerhalb des zweiten Betriebsgrößenbereichs aber außerhalb des ersten Betriebsgrößenbereichs eine Verstärkung bzw. Beschleunigung von Alterungseffekten zur Folge. Befindet sich die Betriebsgröße für mehr als eine vorgegebene Zeitdauer außerhalb des ersten Betriebsgrößenbereichs aber innerhalb des zweiten Betriebsgrößenbereichs, so wird ein erster Fehler erkannt und eine erste Fehlerbehandlung durchgeführt.In addition, a second operating size upper limit and a second lower operating limit of a second operating size window are specified for the operating variable, which is greater than the first operating size upper limit or smaller than the first operating variable lower limit and which specify a second operating variable range. Although the battery cells can still be operated within this second operating variable range, even a short-term operation within the second operating variable range but outside the first operating variable range would result in an amplification or acceleration of aging effects. If the operating variable is outside the first operating variable range but within the second operating variable range for more than a predefined period of time, then a first fault is detected and a first error treatment is carried out.
Während die Steuerung bereits Maßnahmen beinhaltet, um einen Lade- bzw. Entladevorgang der Batterieanordnung zu unterbrechen, wenn der vorgegebene Betriebsgrößenbereich zwischen der Ladeschlussspannung und der Entladeschlussspannung bzw. zwischen einer oberen Temperaturgrenze und einer unteren Temperaturgrenze oder dergleichen verlassen wird, dient das obige Verfahren zur weiteren Überwachung der Funktion der Steuerung, wobei unangemessene Maßnahmen zum Schutz der Batteriezellen verhindert werden.While the controller already includes measures to interrupt a charging or discharging operation of the battery assembly, when the predetermined operation amount range between the end-of-charge voltage and the end-of-discharge voltage and between an upper temperature limit and a lower temperature limit or the like is exited, the above method is further Monitoring the operation of the controller, preventing inappropriate measures to protect the battery cells.
Weiterhin kann bei einem Fehler ein Stromkreis durch die Batterieanordnung unterbrochen werden.Furthermore, in the event of a fault, a circuit can be interrupted by the battery arrangement.
Gemäß einer Ausführungsform kann ein zweiter Fehler festgestellt werden, sobald die Betriebsgröße außerhalb des zweiten Betriebsgrößenbereichs liegt. Befindet sich somit die Betriebsgröße außerhalb des zweiten Betriebsgrößenbereichs, so wird ein zweiter Fehler erkannt und eine zweite Fehlerbehandlung durchgeführt. Z. B. wird in der zweiten Fehlerbehandlung der Stromkreis sofort unterbrochen.According to one embodiment, a second error may be detected as soon as the operating quantity is outside the second operating range. Thus, if the operating variable is outside the second operating variable range, a second fault is detected and a second error handling is performed. For example, in the second error handling the circuit immediately interrupted.
Es kann vorgesehen sein, dass die Betriebsgröße eine Zellenspannung, einen Ladezustand und/oder eine Zellentemperatur umfasst.It can be provided that the operating variable comprises a cell voltage, a state of charge and / or a cell temperature.
Die Regelung zum Einhalten der Betriebsbereiche kann eine Stellgröße generieren, um die Betriebsgröße innerhalb des Betriebsbereiches zu halten.The control for maintaining the operating ranges can generate a manipulated variable to keep the operating size within the operating range.
Weiterhin kann der Betriebsbereich kleiner sein als der erste Betriebsgrößenbereich und der zweite Betriebsgrößenbereich größer sein als der erste Betriebsgrößenbereich. Gemäß einer Ausführungsform kann die Regelung basierend auf mehreren Betriebsgrößen durchgeführt werden, so dass ein Betriebsbereich der Batteriezellen eingehalten wird, wobei die Betriebsgrößen bezüglich eines jeweiligen ersten vorgegebenen Betriebsgrößenbereichs und eines jeweils zweiten vorgegebenen Betriebsgrößenbereichs überwacht werden, und wobei ein erster Fehler festgestellt wird, wenn eine der Betriebsgrößen für mehr als eine jeweilige, vorgegebene Zeitdauer außerhalb des jeweiligen ersten Betriebsgrößenbereichs und innerhalb des jeweiligen zweiten Betriebsgrößenbereichs liegt.Furthermore, the operating range may be smaller than the first operating variable range and the second operating variable range may be greater than the first operating variable range. According to an embodiment, the control may be performed based on a plurality of operation quantities so as to maintain an operating range of the battery cells, wherein the operation amounts are monitored with respect to a respective first predetermined operation amount range and each second predetermined operation amount range, and a first fault is detected when a the operating variables lie outside the respective first operating variable range and within the respective second operating variable range for more than a respective, predetermined period of time.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Überwachen einer Batterieanordnung mit mehreren Batteriezellen vorgesehen, umfassend:
- – eine Steuereinheit, die ausgebildet ist, um
- • eine Steuerung bzw. Regelung zum Betreiben der Batterieanordnung durchzuführen, so dass mindestens ein Betriebsbereich der Batteriezellen beibehalten wird;
- • die Betriebsgröße bezüglich eines ersten vorgegebenen Betriebsgrößenbereichs und eines zweiten vorgegebenen Betriebsgrößenbereichs zu überwachen; und
- • einen ersten Fehler festzustellen, wenn die Betriebsgröße für mehr als eine vorgegebene Zeitdauer außerhalb des ersten Betriebsgrößenbereichs und innerhalb des zweiten Betriebsgrößenbereichs liegt.
- A control unit configured to
- • perform a control to operate the battery assembly so that at least one operating region of the battery cells is maintained;
- To monitor the operating quantity with respect to a first predetermined operating range and a second predetermined operating range; and
- • determine a first fault if the operating quantity is outside the first operating range and within the second operating range for more than a predetermined period of time.
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.In another aspect, a computer program product is provided that includes program code stored on a computer-readable medium and that, when executed on a data processing device, performs the above method.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it:
Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments
Die Batterieanordnung
Die Batteriezellen
Es ist eine Zellenspannungsmesseinheit
Die Steuereinheit
Es ist ein Abschaltelement
Der Regelalgorithmus der ersten Recheneinheit
Die Steuereinheit
Die zweite Recheneinheit
Weiterhin ist eine Überwachungseinheit
Die zweite Zellenspannungsobergrenze liegt höher als die erste Zellenspannungsobergrenze und die zweite Zellenspannungsuntergrenze liegt niedriger als die erste Zellenspannungsuntergrenze. Die zweite Zellenspannungsobergrenze und die zweite Zellenspannungsuntergrenze sind so gewählt, dass diese außerhalb des ersten Zellenspannungsbereichs aber innerhalb des zweiten Zellenspannungsbereichs einen erweiterten sicheren Zellenspannungsbereich definieren, in dem die Batteriezellen
Die Überwachungseinheit
Es ist eine Zellentemperaturmesseinheit
Weiterhin wird die Zellentemperaturangabe der zweiten Recheneinheit
Die Überwachungseinheit
In
In der zweiten Recheneinheit
In Schritt S8 wird überprüft, ob die Betriebsgröße für jede der Batteriezellen
Die Überwachung des Schritts S5 sieht eine Überprüfung dahingehend vor, ob die Betriebsgröße BG für jede der Batteriezellen
Wird in den Schritt S4 und S8, dass mindestens eine der gemessenen Betriebsgrößen für eine vorbestimmte Zeitdauer außerhalb des ersten Betriebsgrößenbereichs liegt, oder in Schritt S5 festgestellt, dass mindestens eine der gemessenen Betriebsgrößen außerhalb des zweiten Betriebsgrößenbereichs liegt, so wird in Schritt S7 die Freigabe zum Schließen des Stromkreises durch das Abschaltelement
In Schritt S4 kann weiterhin realisiert sein, dass unter bestimmten Betriebsbedingungen, wie z. B. beim Verlassen von Betriebsbereichen durch mehrere Betriebsgrößen, das Zulassen des Freigabesignals zurückgenommen wird, sobald ein Überschreiten einer Ladeschlussspannung oder ein Unterschreiten einer Entladeschlussspannung festgestellt wird, ohne dass jedoch die erste Betriebsgrößenobergrenze bzw. die erste Betriebsgrößenuntergrenze über- bzw. unterschritten wurde.In step S4 can also be realized that under certain operating conditions, such. B. leaving operating ranges by a plurality of operating variables, the admission of the enable signal is withdrawn as soon as exceeding a charge end voltage or falls below a discharge end voltage is detected, but without the first operating size upper limit or the first operating variable lower limit was exceeded or fallen below.
Das in der
Die Verfahrensschritte, die in Bezug auf
Weiterhin können die in Verbindung mit dem Batteriemanagementsystem
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- BatteriemanagementsystemBattery Management System
- 22
- Batterieanordnungbattery assembly
- 33
- Steuereinheitcontrol unit
- 44
- ZellenspannungsmesseinheitCell voltage measuring unit
- 55
- Abschaltelementdisconnection element
- 66
- Überwachungseinheitmonitoring unit
- 77
- zweiter Temperatursensorsecond temperature sensor
- 88th
- ZellentemperaturmesseinheitCell temperature measuring unit
- 99
- erster Temperatursensorfirst temperature sensor
- 2121
- Batteriezellebattery cell
- 3131
- erste Recheneinheitfirst arithmetic unit
- 3232
- zweite Recheneinheitsecond arithmetic unit
- 3333
- UND-GliedAND gate
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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