DE102012207673A1 - Method for operating battery e.g. lithium ion battery used in vehicle e.g. motor car, involves setting up and discharging battery cell under consideration of monitored self discharge value of battery cell - Google Patents

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Markus Kohlberger
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Abstract

The method involves monitoring the self discharge of a battery cell (10) in a switched off state of a battery. The battery cell is set up and discharged under consideration of the monitored self discharge value of the battery cell. The voltage values of the battery cell are determined and stored during switching off and starting the battery cell. Independent claims are included for the following: (1) battery; and (2) motor car.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Batterie, bevorzugt einer Lithium-Ionen-Batterie, mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, bei dem die Selbstentladung der Batteriezellen im Rahmen des Betriebes der Batterie berücksichtigt wird. Ferner sind ein Batteriemanagementsystem, eine Batterie sowie ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Batterie vorgesehen. The present invention relates to a method for operating a battery, preferably a lithium-ion battery, with a plurality of battery cells, in which the self-discharge of the battery cells is taken into account during the operation of the battery. Furthermore, a battery management system, a battery and a motor vehicle with the battery according to the invention are provided.

Stand der TechnikState of the art

In Elektro- oder Hybridfahrzeugen der neuesten Generation kommen sogenannte Lithium-lonen-Batterien zum Einsatz. Sie zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten und eine geringe Selbstentladung aus. Lithium-lonen-Zellen besitzen mindestens eine positive und negative Elektrode (Kathode bzw. Anode), die Lithium-lonen (Li+) reversibel ein- (Interkalation) oder wieder auslagern (Deinterkalation) können. Die einzelnen Zellen werden zu sogenannten Modulen, Sub-Units und Batterien verschaltet, wobei die Spannung von 120 Volt Gleichstrom (Mild Hybrid) bis über 600 Volt (elektrisches Fahrzeug) betragen kann.The latest generation of electric or hybrid vehicles use lithium-ion batteries. They are characterized among other things by high energy densities and a low self-discharge. Lithium-ion cells have at least one positive and negative electrode (cathode or anode), the lithium ions (Li +) reversible on (intercalation) or outsource (deintercalation) can. The individual cells are interconnected to form so-called modules, sub-units and batteries, with the voltage ranging from 120 volts DC (mild hybrid) to over 600 volts (electric vehicle).

Um den Anforderungen hinsichtlich verfügbaren Energieinhalts, maximaler Leistung und Gesamtspannung gerecht zu werden, werden dabei viele einzelne Batteriezellen in Serie und teilweise zusätzlich parallel geschaltet. So werden in Hybrid- und Elektrofahrzeugen Batteriepacks in Li-lonen oder NiMH-Technologie eingesetzt, die aus einer großen Anzahl in Serie geschalteten elektrochemischen Zellen bestehen. In order to meet the requirements with regard to available energy content, maximum power and total voltage, many individual battery cells are connected in series and sometimes additionally in parallel. In hybrid and electric vehicles, for example, battery packs in Li-ion or NiMH technology are used, which consist of a large number of series-connected electrochemical cells.

Eine solche hohe Zahl von in Serie geschalteten Batteriezellen bringt einige Probleme mit sich. Aus Sicherheitsgründen und zur Erzielung einer hinreichenden Genauigkeit bei der Spannungsmessung müssen die Zellspannungen der einzelnen Batteriezellen einzeln gemessen und auf die Einhaltung von Ober- und Untergrenzen hin überprüft werden. Wegen der Serienschaltung der Batteriezellen werden alle Batteriezellen vom gleichen Strom durchflossen, das heißt, die Menge der beim Entladen entnommenen bzw. beim Aufladen eingebrachten Ladung ist auch für alle Batteriezellen identisch. Infolgedessen begrenzt die Zelle mit der geringsten Kapazität die Gesamtladung des Packs. Da in der Regel für elektrochemische Zellen ein direkter Zusammenhang zwischen Kapazitätsverlust und Innenwiderstandserhöhung besteht, weist die Zelle mit der geringsten Kapazität in der Regel auch die geringste Leistung auf. Weicht daher die Kapazität einer Batteriezelle, z. B. durch Alterung, von der einer anderen ab, können die Batteriezellen mit einer höheren Kapazität nur so weit aufgeladen werden, wie die Batteriezelle mit der niedrigsten Kapazität. Außerdem führt der Defekt einer einzelnen Batteriezelle zum Ausfall der gesamten Batterie, weil kein Strom mehr durch die defekte Batteriezelle und damit durch die Batterie fließen kann.Such a high number of series connected battery cells poses some problems. For safety reasons and to achieve a sufficient accuracy in the voltage measurement, the cell voltages of the individual battery cells must be measured individually and checked for compliance with upper and lower limits. Because of the series connection of the battery cells, all battery cells are traversed by the same current, that is, the amount of charge taken during discharge or charged during charging is identical for all battery cells. As a result, the cell with the lowest capacity limits the total charge of the pack. Since there is usually a direct relationship between capacity loss and internal resistance increase for electrochemical cells, the cell with the lowest capacity usually has the lowest performance. Therefore, the capacity of a battery cell, z. As by aging, from the other, the battery cells can be charged with a higher capacity only as far as the battery cell with the lowest capacity. In addition, the failure of a single battery cell leads to the failure of the entire battery, because no more current can flow through the defective battery cell and thus through the battery.

Dabei ist anzumerken, dass die anfänglichen Ladezustände der Batteriezellen beim Zusammenbau zu einer Batterie nie genau gleich sein werden. Außerdem unterscheiden sich die Batteriezellen aufgrund einer gewissen Produktstreuung bei der Herstellung immer geringfügig in ihren Parametern und somit auch in ihrer Reaktion des Ladezustandes auf einen von außen eingeprägten Strom. Durch Alterung der Batteriezellen können sich diese Unterschiede weiter vergrößern. It should be noted that the initial charge states of the battery cells will never be exactly the same when assembled to a battery. In addition, the battery cells always differ slightly in their parameters due to a certain product dispersion in the production and thus also in their response of the state of charge to an externally impressed current. Due to aging of the battery cells, these differences can increase further.

Es ist bekannt, ein Batteriemanagementsystem zur Überwachung der Ladezustände oder Spannungen von Batteriezellen in einer Batterie einzusetzen. Es soll neben der Sicherheitsüberwachung eine möglichst hohe Lebensdauer der Batterie gewährleisten und sicherstellen, dass die Ladezustände der einzelnen Zellen aufeinander abgestimmt werden. Dies geschieht durch eine geeignete Zellsymmetrisierung, das sogenannte „Zellbalancing“. Das Zellbalancing oder Angleichen der Ladezustände wird in der Regel passiv über Widerstände vorgenommen. Dazu wird zu jeder Zelle ein Widerstand und ein Schaltelement vorgesehen, um einzelne Zellen gezielt entladen zu können. Aus der DE 10 2006 022 394 A1 ist eine Vorrichtung zum Ladungsabgleich einer Energiequelle mit mehreren Zellen bekannt, bei dem die Zellen mit einer Entladeeinheit zum Ladungsabgleich verbunden sind, die die Zellen wenigstens teilweise entlädt. It is known to use a battery management system for monitoring the charge states or voltages of battery cells in a battery. In addition to the safety monitoring, it should ensure the longest possible battery life and ensure that the charge states of the individual cells are matched to one another. This is done by a suitable cell symmetrization, the so-called "cell balancing". The cell balancing or equalizing the charge states is usually made passively via resistors. For this purpose, a resistor and a switching element is provided for each cell in order to discharge individual cells targeted. From the DE 10 2006 022 394 A1 For example, there is known a device for charge balancing a multiple cell energy source in which the cells are connected to a charge balancing unit which at least partially discharges the cells.

Nach dem Stand der Technik ist es aber auch möglich, das Zellbalancing aktiv – das heißt mit geschalteten Kondensatoren – bzw. induktiv – also mittels geschalteter Induktivitäten – durchzuführen. In diesen beiden Fällen kann Energie zwischen den Zellen mit beschränktem Wirkungsgrad ausgetauscht werden, während die Energie beim resistiven Zellbalancing nur in Wärme umgewandelt werden kann und somit verloren geht.However, according to the state of the art, it is also possible to carry out the cell balancing actively-that is to say with switched capacitors-or inductively-that is to say by means of switched inductances. In these two cases, energy can be exchanged between the cells with limited efficiency, while the energy in resistive cell balancing can only be converted into heat and thus lost.

Eine gängige Balancing-Strategie versucht einen stets gleichen Ladezustand aller Zellen zu erzielen. Dazu wird in der Regel auf identische Ruhespannung aller Zellen symmetrisiert. Bei neuwertigen Zellen mit nahezu identischer Kapazität ist diese Strategie gerechtfertigt. Für Zellen unterschiedlicher Kapazität, wie sie sich durch Produktionsstreuungen und Alterung einstellt, führt diese Balancing-Strategie allerdings zu unnötigen Energieverlusten durch das Balancing. A common balancing strategy always tries to achieve the same state of charge of all cells. This is usually symmetrized to identical rest voltage of all cells. For new cells with almost identical capacity this strategy is justified. However, for cells of different capacities, as set by production spreads and aging, this balancing strategy results in unnecessary energy losses through balancing.

DE 10 2010 002 326 A1 beschreibt ein Verfahren zum Ausbalancieren von Ladezuständen, bei dem nicht stets der gleiche Ladezustand aller Zellen angestrebt wird. Dabei werden die Zellkapazitäten und die Entladetiefen der Batteriezellen für die Festlegung des Zielladezustands einer Batteriezelle berücksichtigt. DE 10 2010 002 326 A1 describes a method for balancing state of charge, in which the same state of charge of all cells is not always sought. Here are the Considering cell capacities and the discharge depths of the battery cells for the determination of the target charge state of a battery cell.

Jedoch können auch im Ruhezustand die Zellspannungen der einzelnen Batteriezellen auseinanderlaufen, da die Zellen sich unterschiedlich stark selbst entladen. Die Selbstentladung beträgt üblicherweise 1 bis 5 mV pro Monat. Jedoch kann mit Alterung der Zellen die Selbstentladung über den üblichen Wert zunehmen.However, even in the quiescent state, the cell voltages of the individual battery cells can diverge, since the cells discharge themselves to different degrees. The self-discharge is usually 1 to 5 mV per month. However, with aging of the cells, the self-discharge may increase beyond the usual value.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Batterie bestehend aus einer Mehrzahl von Batteriezellen umfasst grundsätzlich folgende Schritte:
Überwachen der Selbstentladung mindestens einer Batteriezelle im abgeschalteten Zustand der Batterie, und Auf- und/oder Entladen der mindestens einen Batteriezelle unter Berücksichtigung des Wertes der überwachten Selbstentladung.The inventive method for operating a battery consisting of a plurality of battery cells basically comprises the following steps:
Monitoring the self-discharge of at least one battery cell in the off state of the battery, and charging and / or discharging the at least one battery cell, taking into account the value of the monitored self-discharge.

Die Selbstentladung kann grundsätzlich von Batteriezelle zu Batteriezelle verschieden sein. Somit können selbst dann, wenn vor dem Ruhezustand alle Batteriezellen den gleichen Spannungswert oder Ladezustand aufweisen, diese Werte im ausgeschalteten Zustand auseinanderlaufen. Vorteilhafterweise wird durch die vorliegende Erfindung die Selbstentladung der Batteriezelle beim Betrieb der Batterie berücksichtigt. The self-discharge can basically be different from battery cell to battery cell. Thus, even if all battery cells have the same voltage value or state of charge before the idle state, these values can diverge when switched off. Advantageously, the self-discharge of the battery cell during operation of the battery is taken into account by the present invention.

Der Schritt des Überwachens der Selbstentladung umfasst dabei die Schritte des Bestimmens und Speicherns des Spannungswertes der mindestens einen Batteriezelle beim Abschalten der Batterie, des Bestimmens des Spannungswertes der mindestens einen Batteriezelle bei Inbetriebnahme der Batterie, und des Berechnens der Selbstentladung der Batterie mittels der Differenz der Spannungswerte beim Abschalten und bei Inbetriebnahme. The step of monitoring the self-discharge comprises the steps of determining and storing the voltage value of the at least one battery cell when switching off the battery, determining the voltage value of the at least one battery cell when starting the battery, and calculating the self-discharge of the battery by means of the difference of the voltage values when switching off and during commissioning.

Somit muss die Batterie lediglich über einen Speicher verfügen, um den oder die Spannungswerte der Batteriezellen beim Abschalten zu speichern. Ein solcher Speicher ist üblicherweise Teil eines Batteriemanagementsystems oder einer Zellüberwachungsschaltung. Thus, the battery need only have a memory to store the voltage level (s) of the battery cells when turned off. Such a memory is usually part of a battery management system or cell monitoring circuit.

Der Schritt des Auf- und/oder Entladens umfasst bevorzugt ein geringeres Entladen einer Batteriezelle mit einem Wert der Selbstentladung, der über einem vordefinierten Schwellenwert liegt. Alternativ oder zusätzlich erfolgt ein höheres Aufladen einer Batteriezelle mit einem Selbstentladungswert, der über dem vordefinierten Schwellenwert liegt.The step of charging and / or discharging preferably includes less discharging of a battery cell having a value of self-discharge that is above a predefined threshold. Alternatively or additionally, there is a higher charging of a battery cell with a self-discharge value that is above the predefined threshold value.

Alle Batteriezellen, auch neue Batteriezellen, weisen eine gewisse Selbstentladung auf. Durch den vordefinierten Schwellenwert kann sichergestellt werden, dass die Selbstentladung erst ab Überschreiten einer normalen Selbstentladung berücksichtigt wird. Sie wird dabei so berücksichtigt, dass Zellen mit hoher Selbstentladung weniger entladen und/oder stärker aufgeladen werden.All battery cells, including new battery cells, have a certain degree of self-discharge. The predefined threshold value can be used to ensure that self-discharge is not taken into account until a normal self-discharge is exceeded. It is taken into account so that cells with high self-discharge less discharged and / or more charged.

Der vordefinierte Schwellenwert kann der Wert der üblichen Selbstentladung innerhalb eines Monats sein, also bevorzugt zwischen 1 mV und 5 mV liegen. Berücksichtigt werden kann entweder der tatsächliche Wert der Selbstentladung oder nur die Differenz zum Schwellenwert. The predefined threshold value may be the value of the usual self-discharge within one month, that is to say preferably between 1 mV and 5 mV. Either the actual value of the self-discharge or only the difference to the threshold value can be taken into account.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden mindestens zwei Batteriezellen, noch bevorzugter alle Batteriezellen, der Batterie überwacht. Das Verfahren umfasst dann die Schritte: geringeres Entladen einer Batteriezelle mit höherer Selbstentladung gegenüber einer Batteriezelle mit niedrigerer Selbstentladung, und/oder höheres Aufladen einer Batteriezelle mit höherer Selbstentladung gegenüber einer Batteriezelle mit niedrigerer Selbstentladung.In a preferred embodiment, at least two battery cells, more preferably all battery cells, of the battery are monitored. The method then includes the steps of: less discharging a higher self-discharge battery cell than a lower self-discharge battery cell, and / or more charging a higher self-discharge battery cell versus a lower self-discharge battery cell.

Vorteilhafterweise können somit die Batteriezellen gestaffelt in Abhängigkeit der Größe Ihrer Selbstentladung entladen und/oder aufgeladen werden. Das Verfahren bestimmt bevorzugt eine Rangliste der Batteriezellen nach ihrer Selbstentladung und nimmt das Ent- und/oder Aufladen entsprechend vor. Advantageously, the battery cells can thus be staggered and / or charged depending on the size of your self-discharge. The method preferably determines a ranking of the battery cells after their self-discharge and makes the unloading and / or charging accordingly.

Beim Entladen eine Batteriezelle mit höherer Selbstentladung kann diese weniger häufig entladen werden als eine Batteriezelle mit niedrigerer Selbstentladung.When discharging a battery cell with higher self-discharge, this can be discharged less frequently than a battery cell with lower self-discharge.

Eine Batteriezelle mit höherer Selbstentladung kann auf eine schnellere Alterung dieser Zelle zurückzuführen sein. Durch eine seltenere Verwendung dieser Batteriezelle kann der Alterungsprozess verlangsamt werden. A battery cell with higher self-discharge may be due to a faster aging of this cell. By a rarer use of this battery cell, the aging process can be slowed down.

Während des Ladens kann die Zielladespannung einer Batteriezelle in Abhängigkeit des Wertes ihrer Selbstentladung gegenüber den anderen Batteriezellen angehoben werden.During charging, the target charging voltage of one battery cell can be raised as a function of the value of its self-discharge with respect to the other battery cells.

Dies ermöglicht es, trotz erhöhter Selbstentladung einer Batteriezelle zum Beispiel nach einer Betriebspause die gleichen oder sehr ähnliche Spannungswerte der einzelnen Batteriezellen vorzufinden.This makes it possible, in spite of increased self-discharge of a battery cell, to find, for example after a break in operation, the same or very similar voltage values of the individual battery cells.

Die Zielladespannung kann konkret um einen Betrag von 60 bis 100 % der Selbstentladespannung bzw. 60 bis 100 % der Differenz der tatsächlichen Selbstentladespannung zur normalen Selbstentladung, bevorzugt 70 % bis 90 % der Selbstentladespannung bzw. 70 bis 90 % der Differenz der tatsächlichen Selbstentladespannung zur normalen Selbstentladung gegenüber einem vordefinierten Wert, bevorzugt gegenüber dem Spannungswert, der bei Auslieferung der Batteriezelle der vollständigen Ladung entspricht, angehoben werden.Specifically, the target charging voltage may be 60-100% of the self-discharge voltage or 60-100% of the actual self-discharge voltage difference from the normal Self-discharge, preferably 70% to 90% of the self-discharge voltage or 70 to 90% of the difference between the actual self-discharge voltage for normal self-discharge compared to a predefined value, preferably with respect to the voltage value corresponding to the full charge at delivery of the battery cell raised.

Der Ladevorgang der Batteriezellen wird bevorzugt nicht abgebrochen, wenn eine der Batteriezellen mit niedriger Selbstentladung ihre Zielladespannung erreicht hat, sondern die Batteriezellen mit höherer Selbstentladung werden weiter geladen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass Batteriezellen mit niedrigerer Selbstentladung nach Erreichen der Zielladespannung noch einmal entladen werden, um ein weiteres Aufladen der Batteriezellen mit höherer Selbstentladung zu ermöglichen.The charging operation of the battery cells is preferably not stopped when one of the low self-discharge battery cells has reached its target charging voltage, but the higher self-discharge battery cells are further charged. This can be accomplished by once again discharging lower self-discharge battery cells upon reaching the target charging voltage to allow further charging of the higher self-discharge battery cells.

Erfindungsgemäß ist ferner ein Batteriemanagementsystem einer Batterie vorgesehen, welches dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. According to the invention, a battery management system of a battery is furthermore provided, which is set up to carry out the method according to the invention.

Ferner werden eine Batterie, bevorzugt eine Li-Ionen-Batterie, mit einem erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystem sowie ein Kraftfahrzeug mit dieser Batterie, wobei die Batterie mit dem Antrieb des Kraftfahrzeuges verbunden ist, vorgeschlagen. Furthermore, a battery, preferably a Li-ion battery, with a battery management system according to the invention and a motor vehicle with this battery, wherein the battery is connected to the drive of the motor vehicle proposed.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims and described in the description.

Zeichnungendrawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below. It shows:

1 ein erfindungsgemäßes Batteriesystem. 1 a battery system according to the invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Im Stand der Technik erfolgt ein Angleichen der Ladezustände von Batteriezellen einer Batterie, auch Zellbalancing genannt, auf Basis der aktuell gemessenen Zellspannungen der verschiedenen Batteriezellen. Die vorliegende Erfindung berücksichtigt nunmehr die Selbstentladung der Batteriezellen der Batterie als weitere Größe beim Auf- und/oder Entladen, bzw. beim Zellbalancing. Beim Balancing werden die Ladungszustände der Batteriezellen mittels Auflade- und/oder Entladevorgängen aneinander angeglichen. In the prior art, the states of charge of battery cells of a battery, also called cell balancing, are adjusted on the basis of the currently measured cell voltages of the various battery cells. The present invention now takes into account the self-discharge of the battery cells of the battery as a further variable during charging and / or discharging, or during cell balancing. During balancing, the charge states of the battery cells are matched to one another by means of charging and / or discharging processes.

Erfindungsgemäß wird in den Stillstandzeiten des Energiespeichers vom Batteriemanagementsystem BMS die Selbstentladung überwacht. Dies geschieht dadurch, dass vor dem Abschalten der Batterie die Spannung bzw. der Ladezustand der einzelnen Batteriezellen bestimmt und abgespeichert wird. Nach dem erneuten Anschalten der Batterie erfolgt wiederum eine Bestimmung der Spannung bzw. des Ladezustands der einzelnen Batteriezellen. Die Differenz der Spannungswerte entspricht dann der Selbstentladung. Üblicherweise liegt die Selbstentladung zwischen 1 mV und 5 mV in einem Monat, kann aber aufgrund der Alterung zunehmen. According to the self-discharge is monitored by the battery management system BMS in the downtime of the energy storage. This happens because before switching off the battery, the voltage or the state of charge of the individual battery cells is determined and stored. After the battery is switched on again, the voltage or the state of charge of the individual battery cells is again determined. The difference of the voltage values then corresponds to the self-discharge. Usually the self-discharge is between 1 mV and 5 mV in one month, but may increase due to aging.

Diese Selbstentladung wird nunmehr beim Balancing berücksichtigt. Dies ist sowohl beim passiven Balancing, bei welchem die Zellen mittels Widerständen auf das Niveau der schwächsten Zelle entladen werden, wie auch beim aktiven Balancing, in dem Ladung zwischen den Zellen verschoben wird, erfindungsgemäß möglich.This self-discharge is now taken into account in the balancing. This is possible according to the invention both in passive balancing, in which the cells are discharged by means of resistors to the level of the weakest cell, as well as in active balancing, in which charge is shifted between the cells.

Vorteilhafterweise kann die zusätzliche Funktion der Berücksichtigung der Selbstentladung rein über eine Softwareanpassung erfolgen. Änderungen an der Hardware sind bevorzugt nicht nötig.Advantageously, the additional function of taking into account the self-discharge can be done purely by software adaptation. Changes to the hardware are preferably not necessary.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Batteriesystem umfassend eine Batterie mit mehreren Batteriezellen 10, einen Zellüberwachungsschaltkreis 20, ein Batteriesteuergerät 30 und einen Hochvoltanschluss 40. Der Zellüberwachungsschaltkreis 20 überwacht die Funktion der Zellen 10 und ihre Kenngrößen, z. B. den Ladezustand und die Spannung der einzelnen Batteriezellen 10. Das Batteriesteuergerät 30 steuert die Auf- und Entladung der Batteriezellen 10 während des Betriebes bzw. das Balancing. 1 shows a battery system according to the invention comprising a battery with a plurality of battery cells 10 , a cell monitoring circuit 20 , a battery control unit 30 and a high-voltage connection 40 , The cell monitoring circuit 20 monitors the function of the cells 10 and their characteristics, z. B. the state of charge and the voltage of the individual battery cells 10 , The battery control unit 30 controls the charging and discharging of the battery cells 10 during operation or balancing.

Die Batteriezellen 10 sind über Hochvoltpfade mit einem Hochvoltanschluss 40 verbunden. Auf der anderen Seite sind die Zellen 10 mit einem Zellüberwachungsschaltkreis 20 verbunden, der beispielsweise die Spannungsmessung und den Ladungsausgleich zwischen den Zellen 10 beim Balancing überwacht. Das Batteriesteuergerät 30 sendet und erhält Daten vom Zellüberwachungsschaltkreis 20 und auch entsprechend von dem Hochvoltanschluss 40. The battery cells 10 are via high-voltage paths with a high-voltage connection 40 connected. On the other side are the cells 10 with a cell monitoring circuit 20 connected, for example, the voltage measurement and the charge balance between the cells 10 monitored during balancing. The battery control unit 30 sends and receives data from the cell monitoring circuit 20 and also according to the high-voltage connection 40 ,

Im Ruhezustand der Batterie, z. B. im Stillstand eines Fahrzeugs über Nacht, ermittelt das Batteriemanagementsystem mit dem Batteriesteuergerät 30 und dem Zellüberwachungsschaltkreis 20 die Unterschiede in der Selbstentladung der Zellen 10. Dazu werden beim Ausschalten der Batterie die Ladezustände und/oder die Zellspannungen der Zellen 10 bestimmt und abgespeichert. Die Batterie, bevorzugt das Batteriesteuergerät 30, umfasst dazu einen Speicher (nicht gezeigt). Beim Einschalten werden die Werte erneut bestimmt und die Differenz ermittelt. Die Differenz der Spannungswerte vor dem Ausschalten und nach dem Einschalten ergibt den Wert der Selbstentladung. Werden die Spannungswerte nicht direkt gemessen, so können sie auch indirekt über andere Größen bestimmt werden. In the resting state of the battery, z. B. at a standstill of a vehicle overnight, determines the battery management system with the battery control unit 30 and the cell monitoring circuit 20 the differences in the self-discharge of the cells 10 , For this purpose, when the battery is switched off, the charging states and / or the cell voltages of the cells 10 determined and stored. The battery, preferably the battery control unit 30 , for this purpose comprises a memory (not shown). When switching on, the values are determined again and the difference is determined. The difference between the voltage values before switching off and after switching on gives the value of the self-discharge. Become the voltage values not measured directly, they can also be determined indirectly via other variables.

Bevorzugt wird bei allen Batteriezellen 10 die Selbstentladung überwacht. Jedoch genügt es auch weniger oder gar nur eine der Batteriezellen 10 zu überwachen. Dabei kann bei Verwendung mehrerer Batteriezellen 10 in der Überwachung durch das BMS eine Rangliste der Batteriezellen 10 nach ihrer Selbstentladung vorgenommen werden. Preference is given to all battery cells 10 monitors the self-discharge. However, it is sufficient less or even just one of the battery cells 10 to monitor. It can when using multiple battery cells 10 in the supervision of the BMS a ranking of the battery cells 10 be made after their self-discharge.

Beim passiven Balancing, also der Entladung der Zellen über Widerstände, wie auch beim aktiven Balancing kann nun eine höhere Selbstentladung einzelner Zellen sowohl beim Balancing selber wie auch beim Laden berücksichtigt werden.When passive balancing, ie the discharge of the cells via resistors, as well as the active balancing now a higher self-discharge of individual cells can be considered both in the balancing itself as well as the loading.

Beim Balancing selber werden Zellen mit höherer Selbstentladung entsprechend ihrer höheren Selbstentladung weniger stark oder gar nicht entladen. Beim Laden, das üblicherweise abgeschaltet wird sobald eine der Zellen im Verbund die maximale Spannung erreicht hat, werden für die Zellen mit höherer Selbstentladung die Grenzwerte entsprechend der Selbstentladung heraufgesetzt.In balancing itself, cells with higher self-discharge are discharged less strongly or not at all according to their higher self-discharge. When charging, which is usually switched off as soon as one of the cells in the composite has reached the maximum voltage, the limits for self-discharge cells are increased according to the self-discharge.

Zur Erläuterung sei ein Beispiel angeführt. Wir nehmen an, Zelle 1 hätte rein beispielhaft einen Zielladespannungswert von 4,1 V und eine Selbstentladung von 1 mV pro Monat, Zelle 2 hingegen von 5 mV pro Monat bei einer Zielladespannung von 4,1 V. Somit liegt das Spannungsniveau der Zelle 2 nach dem Einschalten aus einer Ruhephase immer über dem der Zelle 1, auch wenn vor dem Ausschalten alle Batteriezellen 10 dieselbe Spannung aufwiesen. For explanation, an example is given. For example, assuming that Cell 1 has a target charging voltage of 4.1 V and a self-discharge of 1 mV per month, cell 2 has 5 mV per month at a target charging voltage of 4.1 V. Thus, the voltage level of cell 2 is lower switching from a rest phase always above the cell 1, even if before switching off all battery cells 10 have the same tension.

Nach einiger Zeit der Benutzung der Batterie stellt das BMS fest, dass aufgrund der höheren Selbstentladung zum einen die Kapazität der Gesamtbatterie geringer ist, da die Zelle 1 immer auf das Niveau von Zelle 2 entladen wird. Zum anderen muss öfter oder länger angeglichen bzw. ausbalanciert werden. Erfindungsgemäß wird nun beim nächsten Ladevorgang für Zelle 2 eine Zielladespannung von 4,104 Volt und für Zelle 1 eine von 4,100 Volt festgelegt. Die Differenz der beiden Zielladespannungen beträgt hier gerade 4 mV, entspricht also der Differenz der Selbstentladespannungen der Batteriezellen 10. After some time of use of the battery, the BMS notes that due to the higher self-discharge on the one hand, the capacity of the entire battery is lower because the cell 1 is always discharged to the level of cell 2. On the other hand, it must be balanced or balanced more often or longer. According to the invention, a target charge voltage of 4.104 volts for cell 2 and a voltage of 4.100 volts for cell 1 are set during the next charging process. The difference between the two target charging voltages here is just 4 mV, which corresponds to the difference between the self-discharge voltages of the battery cells 10 ,

Gegebenenfalls sorgt ein Balancing am Ende dafür, dass zwischenzeitlich Zelle 1 nochmals entladen wird, damit Zelle 2 auf 4,104 Volt geladen werden kann.If necessary, a balancing at the end ensures that in the meantime cell 1 is again discharged so that cell 2 can be charged to 4.104 volts.

Mit anderen Worten werden die Werte der Selbstentladungen der Batteriezellen 10 derart berücksichtigt, dass während des Ladens die Differenz der Selbstentladung einer Batteriezelle 10 zur z. B. niedrigsten Selbstentladung aller Batteriezellen 10 in die Bestimmung der Zielladespannung einfließt. In other words, the values of self-discharges of the battery cells become 10 such that, during charging, the difference in self-discharge of a battery cell 10 to z. B. lowest self-discharge of all battery cells 10 into the determination of the target load voltage.

Es kann aber auch jeder Spannungswert der Selbstentladung der Batteriezellen 10 direkt anstatt in Form von Differenzwerten einfließen. So kann Zelle 2 auf 4,105 V aufgeladen werden (vorherige Zielladespannung 4,1 V plus Selbstentladespannungswert 0,05 V) und Zelle 1 auf 4,101 V. But it can also be any voltage value of the self-discharge of the battery cells 10 directly instead of in the form of difference values. Thus cell 2 can be charged to 4.105V (previous target charging voltage 4.1V plus self-discharge voltage 0.05V) and cell 1 to 4.101V.

In einem anderen Ausführungsbeispiel kann aber auch zuvor ein Schwellwert für die Berücksichtigung der Selbstentladespannung festgelegt sein. Hierbei müssten nicht die Selbstentladungen der einzelnen Batteriezellen 10 zueinander, sondern nur relativ zu dem Schwellwert bestimmt werden, der sich optional mit zunehmendem Alter der Batterie auch verändern kann, z. B. größer werden kann. Im obigen Beispiel könnte der Schwellwert z. B. 1 mV bezogen auf einen Zeitraum von einem Monat betragen. Wenn die Selbstentladespannung in dem Bezugszeitraum nun größer als 1 mV ist, wird die Zielladespannung angepasst. Lag sie zuvor bei 4,100 Volt, bleibt sie für Zelle 1 auf diesem Wert, da die Selbstentladung von Zelle 1 nicht über dem Schwellwert liegt. Zelle 2 wird allerdings wiederum wie oben auf 4,104 V geladen, entsprechend der Differenz zwischen Schwellwert und Selbstentladungswert. Als Ausgangswert der Anpassung der Zielladespannung kann hier z. B. der Spannungswert der Batteriezellen 10 bei Auslieferung der Batterie oder irgendein anderer realistischer Wert für die Spannung der Batteriezellen 10 innerhalb ihrer Spezifikation genommen werden. In another embodiment, however, a threshold value for the consideration of the self-discharge voltage can also be set beforehand. This would not have the self-discharges of the individual battery cells 10 to each other, but are determined only relative to the threshold value, which can optionally also change with increasing age of the battery, z. B. can be larger. In the example above, the threshold could be z. B. 1 mV refer to a period of one month. If the self-discharge voltage in the reference period is now greater than 1 mV, the target charging voltage is adjusted. Previously at 4,100 volts, it remains at that level for cell 1 because cell 1 self-discharge is not above the threshold. However, cell 2 is again charged as above to 4.104V, corresponding to the difference between threshold and self-discharge value. As the output value of the adjustment of the target charging voltage can here z. B. the voltage value of the battery cells 10 on delivery of the battery or any other realistic value for the voltage of the battery cells 10 be taken within their specification.

Bevorzugt kann aber auch zum Wert der Selbstentladung der tatsächliche Zeitraum, über dem die Selbstentladung stattfand, z. B. über den Ruhezustand des zugehörigen Fahrzeugs, zusätzlich bestimmt bzw. gespeichert werden. Dann wird der Schwellwert, der z. B. auf einen bestimmten Zeitraum der Selbstentladung bezogen ist, auf den tatsächlichen Selbstentladungszeitraum skaliert. Im obigen Beispiel lag der Schwellwert rein beispielhaft bei 1 mV, bezogen auf einen Monat bzw. 30 Tage. Befand sich die Batterie über einen vollen Tag im Ruhezustand, fand also die Selbstentladung über einen Tag statt, wäre der tatsächliche Schwellwert im obigen Beispiel nunmehr 1/30 mV. Preferably, however, also the value of the self-discharge, the actual period over which the self-discharge took place, z. B. on the idle state of the associated vehicle, additionally determined or stored. Then the threshold value, the z. B. is related to a certain period of self-discharge, scaled to the actual self-discharge period. In the above example, the threshold was purely exemplary at 1 mV, based on one month or 30 days. If the battery was at rest for one full day, ie if the self-discharge took place over one day, the actual threshold value in the above example would now be 1/30 mV.

Beim aktiven Balancing kann zusätzlich zu dem bereits erwähnten Vorgehen während des Ladevorgangs gezielt zusätzlicher Strom in die Zelle 10 mit höherer Selbstentladung geladen bzw. umgeleitet werden. Die Spannung dieser Zelle 10 wird dann gegenüber den anderen Zellen 10 angehoben, um die Selbstentladung auszugleichen. Das Anheben der Zielladespannung erfolgt dann bevorzugt wie soeben beschrieben in den verschiedenen Ausführungsformen, also als Differenzwert der Selbstentladungen relativ zueinander, relativ zu einem Schwellwert oder absolut mit dem Wert der Selbstentladung. During active balancing, in addition to the procedure already mentioned during the charging process, additional additional current can be charged or diverted into the cell 10 with a higher self-discharge. The voltage of this cell 10 is then raised relative to the other cells 10 to compensate for the self-discharge. The lifting of the target charging voltage is then preferably carried out as just described in the various embodiments, ie as the difference value of Self-discharges relative to each other, relative to a threshold or absolute with the value of the self-discharge.

Ferner kann auch eine Batteriezelle 10 mit einer hohen Selbstentladung während des Betriebs wenn möglich unberücksichtigt bleiben, bis die Selbstentladung bzw. der Alterungsprozess der Batteriezellen 10 zueinander wieder angeglichen ist. Furthermore, a battery cell can also be used 10 with a high self-discharge during operation if possible disregarded until the self-discharge or the aging process of the battery cells 10 is equal to each other again.

Dem Fachmann ist hierbei klar, dass anstatt des Begriffes Batteriezellen 10 auch synonym der Begriff Batteriemodul verwendet werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich entsprechend auch für das Laden und Entladen von mehreren Batteriemodulen in einem Batteriepack.The skilled person is hereby clear that instead of the term battery cells 10 synonymous the term battery module can be used. The inventive method is also suitable for the loading and unloading of several battery modules in a battery pack.

Ferner kann auch die Zeit des Stillstands der Batterie mit einfließen. Im oberen Beispiel wurde als Betrachtungszeitraum 1 Monat gewählt, das heißt, bei dem oben gezeigten Beispiel würde einmal im Monat ein längeres Balancing durchgeführt werden. Dies kann aber auch abhängig von der Nutzungsfrequenz des Fahrzeuges sein. So kann z. B. im Laufe des Betriebes der Batterie eine mittlere Stillstandszeit bestimmt werden. Liegt nun die tatsächliche Stillstandszeit deutlich höher, z. B. weil sich der Betreiber des Elektrofahrzeugs im Urlaub befand, ist auch der Spannungswert der Selbstentladung deutlich höher. Dann kann beispielhaft auch nur entsprechend dem Verhältnis von mittlerer Stillstandszeit zu tatsächlicher Stillstandszeit der Wert der Selbstentladung berücksichtigt werden. Furthermore, the time of the standstill of the battery can also be included. In the example above, 1 month was chosen as the observation period, that is, in the example shown above, a longer balancing would be carried out once a month. However, this can also be dependent on the frequency of use of the vehicle. So z. B. during the operation of the battery a mean downtime can be determined. Now is the actual downtime significantly higher, z. B. because the operator of the electric vehicle was on vacation, the voltage value of the self-discharge is much higher. Then, by way of example, the value of the self-discharge can also be taken into account only in accordance with the ratio of the mean idle time to the actual idle time.

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Claims (11)

Verfahren zum Betrieb einer Batterie bestehend aus einer Mehrzahl von Batteriezellen (10), umfassend die Schritte: – Überwachen der Selbstentladung mindestens einer Batteriezelle (10) im abgeschalteten Zustand der Batterie, und – Auf- und/oder Entladen der mindestens einen Batteriezelle (10) unter Berücksichtigung des Wertes der überwachten Selbstentladung.Method for operating a battery consisting of a plurality of battery cells ( 10 ), comprising the steps of: - monitoring the self-discharge of at least one battery cell ( 10 ) in the switched-off state of the battery, and - charging and / or discharging the at least one battery cell ( 10 ) taking into account the value of the monitored self-discharge. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Überwachens der Selbstentladung umfasst: – Bestimmen und Speichern des Spannungswertes der mindestens einen Batteriezelle (10) beim Abschalten der Batterie, – Bestimmen des Spannungswertes der mindestens einen Batteriezelle (10) bei Inbetriebnahme der Batterie, – Berechnen der Selbstentladung der Batterie mittels der Differenz der Spannungswerte beim Abschalten und bei Inbetriebnahme. The method of claim 1, wherein the step of monitoring the self-discharge comprises: determining and storing the voltage value of the at least one battery cell ( 10 ) when switching off the battery, - determining the voltage value of the at least one battery cell ( 10 ) when commissioning the battery, - calculating the self-discharge of the battery by means of the difference of the voltage values when switching off and during commissioning. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schritt des Auf- und/oder Entladens umfasst: – geringeres Entladen einer Batteriezelle (10) mit einer Selbstentladung über einem vordefinierten Schwellenwert, und/oder – höheres Aufladen einer Batteriezelle (10) mit einer Selbstentladung über dem vordefinierten Schwellenwert.The method of claim 1 or 2, wherein the step of charging and / or discharging comprises: - less discharging of a battery cell ( 10 ) with a self-discharge above a predefined threshold, and / or - higher charging of a battery cell ( 10 ) with a self-discharge above the predefined threshold. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei Batteriezellen (10) überwacht werden, umfassend die Schritte: – geringeres Entladen einer Batteriezelle (10) mit höherer Selbstentladung gegenüber einer Batteriezelle (10) mit niedrigerer Selbstentladung, und/oder – höheres Aufladen einer Batteriezelle (10) mit höherer Selbstentladung gegenüber einer Batteriezelle (10) mit niedrigerer Selbstentladung.Method according to one of the preceding claims, wherein at least two battery cells ( 10 ), comprising the steps of: - less discharging of a battery cell ( 10 ) with higher self-discharge compared to a battery cell ( 10 ) with lower self-discharge, and / or - higher charging of a battery cell ( 10 ) with higher self-discharge compared to a battery cell ( 10 ) with lower self-discharge. Verfahren nach Anspruch 4, wobei beim Entladen eine Batteriezelle (10) mit höherer Selbstentladung weniger häufig entladen wird als eine Batteriezelle (10) mit niedrigerer Selbstentladung.Method according to claim 4, wherein during discharge a battery cell ( 10 ) is discharged less frequently with a higher self-discharge than a battery cell ( 10 ) with lower self-discharge. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während des Ladens die Zielladespannung einer Batteriezelle (10) in Abhängigkeit des Wertes ihrer Selbstentladung gegenüber den anderen Batteriezellen (10) angehoben wird.Method according to one of the preceding claims, wherein during charging the target charging voltage of a battery cell ( 10 ) as a function of the value of its self-discharge with respect to the other battery cells ( 10 ) is raised. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Zielladespannung um einen Betrag von 60 bis 100 % der Selbstentladespannung, bevorzugt 70 % bis 90 % der Selbstentladespannung gegenüber einem vordefinierten Wert, bevorzugt gegenüber dem Spannungswert bei Auslieferung der Batteriezelle (10), angehoben wird. Method according to claim 6, wherein the target charging voltage is an amount of 60 to 100% of the self-discharge voltage, preferably 70% to 90% of the self-discharge voltage compared to a predefined value, preferably with respect to the voltage value upon delivery of the battery cell ( 10 ) is raised. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ladevorgang der Batteriezellen (10) nicht abgebrochen wird, wenn eine der Batteriezellen (10) mit niedriger Selbstentladung ihre Zielladespannung erreicht hat, sondern die Batteriezellen (10) mit höherer Selbstentladung weiter geladen werden.Method according to one of the preceding claims, wherein the charging process of the battery cells ( 10 ) is not aborted when one of the battery cells ( 10 ) has reached its target charging voltage with low self-discharge, but the battery cells ( 10 ) continue to be charged with higher self-discharge. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Batteriezellen (10) mit niedrigerer Selbstentladung nach Erreichen der Zielladespannung noch einmal entladen werden, um ein weiteres Aufladen der Batteriezellen (10) mit höherer Selbstentladung zu ermöglichen.Method according to claim 8, wherein the battery cells ( 10 ) are discharged again with lower self-discharge after reaching the target charging voltage in order to further charge the battery cells ( 10 ) with higher self-discharge. Batterie mit einem Batteriemanagementsystem, welches dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen. Battery with a battery management system which is adapted to carry out the method according to one of claims 1 to 9. Kraftfahrzeug mit einer Batterie nach Anspruch 10, wobei die Batterie mit dem Antrieb des Kraftfahrzeuges verbunden ist. Motor vehicle with a battery according to claim 10, wherein the battery is connected to the drive of the motor vehicle.
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