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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemanagementsystem für eine Batterie, zum Beispiel für eine aus Lithium-Ionen-Batteriezellen oder Nickel-Metallhydrid-Batteriezellen aufgebaute wiederaufladbare Batterie, ein Batteriesystem und ein Kraftfahrzeug.
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Stand der Technik
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Durch verbesserte Speicherkapazität, häufigere Wiederaufladbarkeit und höhere Energiedichten finden Batterien immer breitere Anwendungen. Batterien mit geringerer Energiespeicherkapazität werden zum Beispiel für kleine tragbare elektronische Geräte wie Mobiltelefone, Laptops, Camcordern und dergleichen verwendet, während Batterien mit hoher Kapazität als Energiequelle für den Antrieb von Motoren von Hybrid- oder Elektro-Fahrzeugen, etc. oder als stationäre Batterien Verwendung finden.
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Batterien können zum Beispiel aus einzelnen Batteriemodulen oder durch das serielle Verschalten von Batteriemodulen gebildet werden, wobei teilweise auch parallele Verschaltungen der Batteriemodule erfolgen und die Batteriemodule ihrerseits aus seriell und/oder parallel verschalteten Batteriezellen bestehen können. Zur einseitigen oder beidseitigen Abtrennung der Batterie von einem Verbrauchsnetz, etwa einem Traktionsnetz eines Kraftfahrzeugs, können Batterien mit ein oder zwei Trenneinrichtungen, zum Beispiel Schützen, versehen sein. In Kraftfahrzeugsystem können die Schütze geöffnet sein solange das Kraftfahrzeug ungenutzt ist und erst geschlossen werden, wenn Fahrbereitschaft hergestellt werden oder die Batterie geladen werden soll.
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Zum Batteriemanagement, zum Beispiel zur grundsätzlichen Ansteuerung von Modulen, zur Erhöhung der Sicherheit von Batterien, zur Effizienzsteigerung und zur Verlängerung der Lebenszeit von Batteriemodulen und aus Batteriemodulen zusammengesetzten Batteriesystemen werden, insbesondere in Kraftfahrzeugen, aber nicht nur dort, Batteriemanagementsysteme eingesetzt. Eine Aufgabe von Batteriemanagementsystemen ist die Bestimmung des aktuellen Lade- beziehungsweise Alterungszustands der Batteriemodule beziehungsweise der im Batteriemodul enthaltenen Batteriezellen, wobei der Batteriezustand von Batteriestrom und Batterietemperatur der Batteriezellen beziehungsweise des Batteriemoduls abhängt.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2008 041 300 A1 beschreibt ein Verfahren zum Ermitteln des Ist-Ladezustands eines elektrischen Akkumulators. Das Verfahren umfasst: Erfassen des dem Akkumulator zugeführten und dem von dem Akkumulator abfließenden Akkumulatorstrom; Vorsehen einer Ladungsdifferenz durch Integrieren des Akkumulatorstroms über die Zeit; Aktualisieren eines Messungs-Ladezustands durch Addieren der Ladungsdifferenz zu dem Messungs-Ladezustand; und Ableiten eines Schätzungs-Ladezustands aus einer eindeutigen, vorgegebenen Zuordnung zwischen Ladezuständen und Leerlaufspannungen des Akkumulators ausgehend von einer Leerlaufspannung des Akkumulators. Ein anderes Verfahren zur Ladezustandsermittlung ist aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2008 036 159 A1 bekannt.
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Zur Effizienzsteigerung und zur Verlängerung der Lebenszeit ist es hilfreich, die jeweils aktuellen Leistungsgrenzen für Be- und Entladung der Batteriezelle oder des Batteriemoduls zu kennen. Dann kann verhindert werden, dass die Zelle beziehungsweise das Modul unter Verletzung der Leistungsgrenzen entladen beziehungsweise geladen wird. Lade- oder Entladevorgänge unter Verletzung der Leistungsgrenze führen nämlich zu rapider Alterung. Die Be- und Entladungsgrenzen sind dabei jeweils vom aktuellen Zustand der Batteriezelle/des Batteriemoduls abhängig.
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Die Grenzwerte für Be- oder Entladung sind dabei auf unterschiedliche Weise bestimmbar. Ihre Bestimmung beruht auf funktionalen Zusammenhängen zwischen Ladezustand, Batteriestrom, Batteriespannung, Batterietemperatur und Batterieleistung. So hängen zum Beispiel die Leistung zumindest von Spannung und Strom, Änderungen des Ladezustands und der Temperatur zumindest vom Strom und die Spannung zumindest vom Ladezustand ab.
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Das
europäische Patent 1 686 389 beschreibt ein Batterieüberwachungsverfahren, bei dem Temperaturen blanker Zellen und Temperaturen von Lade- und Entladeschaltern erfasst werden. Anhand der erfassten Temperatur der blanken Zelle werden dann Ladungs- und Entladungskapazität der blanken Zelle berechnet. Die erfassten Schaltertemperaturen werden zusammen mit den berechneten Kapazitäten, der Temperatur der blanken Zelle und weiteren erfassten Kenngrößen der Batterie gespeichert.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schlägt ein Batteriemanagementsystem gemäß Anspruch 1 vor, also ein zur Bestimmung einer Temperatur des mindestens einen Schützes ausgelegtes Batteriemanagementsystem zur Batteriezustandsüberwachung so auszulegen, dass eine Ermittlung eines Stromstärken- und/oder Leistungsgrenzwerts für Be- und/oder Entladung einer Batterie unter Berücksichtigung der Temperatur des mindestens eines Schützes der Batterie erfolgt, wobei Batteriezellen in der Batterie über das mindestens eine Schütz mit Terminals der Batterie elektrisch verbunden sind.
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Durch die Berücksichtigung der Schütztemperatur bei der Grenzwertbestimmung ist diese genauer.
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In einer möglichen Ausführungsform wird die Temperatur unter Verwendung eines Widerstandswertes des Schützes berechnet.
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Dies ermöglicht eine Erhöhung der Grenzwertbestimmungsgenauigkeit ohne Temperaturmessvorrichtung.
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In einer weiteren möglichen Ausführungsform umfasst das Batteriemanagementsystem einen Eingang zum Empfang eines Temperaturmesssignals und ist zur Bestimmung der Temperatur anhand des Temperaturmesssignals ausgelegt.
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Dies ermöglicht eine besonders große Erhöhung der Grenzwertbestimmungsgenauigkeit.
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Der Grenzwert kann insbesondere vorteilhaft so bestimmt werden, dass Be- beziehungsweise Entladung der Batterie entsprechend dem Grenzwert nicht zu einer Erwärmung des mindestens einen Schützes über eine Grenztemperatur führt.
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Die Grenztemperatur kann eine von einer Batteriezelltemperatur einer dem mindestens einen Schütz benachbarten Batteriezelle abhängige Grenztemperatur sein. In diesem Fall kann der Grenzwert vorteilhaft so bestimmt werden, dass Be- beziehungsweise Entladung der Batterie entsprechend dem Grenzwert nicht zu einem einen Grenzenergieeintrag überschreitenden Energieeintrag in die benachbarte Batteriezelle durch Erwärmung des mindestens einen Schützes führt.
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In einer anderen möglichen Ausführungsform weist die Batterie zwei Schütze auf und ist ausgelegt zur Bestimmung von Temperaturen der zwei Schütze und zur Ermittlung des Grenzwerts unter Berücksichtigung der bestimmten Temperaturen.
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Dabei kann zum Beispiel ein aus den beiden Temperaturen ermittelter Minimal-, Maximal- oder Mittelwert bei der Ermittlung des Grenzwerts berücksichtigt werden.
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Es kann auch zu jeder der beiden Temperaturen ein vorläufiger Grenzwert bestimmt werden und der Grenzwert aus Minimal-, Maximal- oder Mittelwert der vorläufigen Grenzwerte bestimmt werden.
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Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Batteriesystem vorgestellt, welches eine Batterie mit Batteriezellen und mindestens einem Schütz umfasst, wobei die Batteriezellen über das mindestens eine Schütz mit Terminals der Batterie elektrisch verbunden sind. Die Batterie umfasst weiterhin das erfindungsgemäße Batteriemanagementsystem zur Ermittlung mindestens eines Grenzwerts der Batterie.
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Schließlich wird erfindungsgemäß auch ein Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem vorgestellt.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Batteriesystem nach dem Stand der Technik,
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2 eine erste beispielhafte Ausführungsform der Erfindung,
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3 eine zweite beispielhafte Ausführungsform der Erfindung, und
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4 eine dritte beispielhafte Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist eine beispielhafte, auch als Batteriemodul bezeichnete, Batterie 10 nach dem Stand der Technik mit in Reihe geschalteten Batteriezellen 20, 21 gezeigt. Ein positives Terminal 22 einer von zwei in der Reihe der ersten beziehungsweise letzten Batteriezellen 21 ist über ein Schütz 30 mit einem positiven Terminal 40 der Batterie 10 elektrisch verbunden beziehungsweise mittels des Schützes 30 elektrisch verbindbar. Ebenso ist ein negatives Terminal 23 der anderen der zwei in der Reihe der ersten beziehungsweise letzten Batteriezellen 21 über ein Schütz 50 mit einem negativen Terminal 60 der Batterie 10 elektrisch verbunden beziehungsweise mittels des Schützes 50 elektrisch verbindbar. Die Ausführung mit zwei Schützen 30, 50 ist beispielhaft, ein einzelnes Schütz ist ebenfalls möglich. Die Batterie 10 ist mit einem nicht gezeigten Batteriemanagementsystem elektrisch verbunden und wird von diesem kontrolliert und gesteuert. Insbesondere steuert das Batteriemanagementsystem die Schütze 30, 50.
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Schaltkontakte der Schütze 30, 50 lassen sich nicht widerstandsfrei realisieren und im Lade- beziehungsweise Entladebetrieb der Batterie fließt der gesamte Strom über die Schütze 30, 50. Insbesondere liegt der Widerstand der Schaltkontakte zum Beispiel bei 10 mOhm je Schütz und damit über dem eines entsprechenden Stromkabels. Daher kommt es bei geschlossenen Schützen 30, 50 zu einer Erwärmung der Schütze 30, 50 infolge des elektrischen Widerstands, den der Schaltkontakt im Schütz 30, 50 aufweist. Diese Erwärmung wird über die elektrische Verbindung mit der ersten beziehungsweise letzten Batteriezelle 21 auf diese Batteriezellen 21 übertragen, sofern die Schütztemperatur die Zelltemperatur übersteigt. Da aber die Batteriezellen 21 eine deutlich höhere thermische Masse bei im Vergleich zu den Schützwiderständen gleichem oder niedrigerem Innenwiderstand, zum Beispiel 1,5 bis 10 mOhm, aufweisen, erwärmen sich die Zellen gemeinhin nicht so stark wie die Schütze, so dass die Schütztemperatur die Zelltemperatur übersteigt.
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Um zu verhindern, dass es infolge dieses Wärmeübertrags zu einer Überhitzung der Zellen 21 kommt, ist im Sinne der Erfindung vorgesehen, die zulässige Lade- beziehungsweise Entladeleistung oder den zulässigen Batteriestrom in Abhängigkeit von einer Temperatur der Schütze 30, 50 zu begrenzen. Eine Überhitzung der Zellen 21 kann ihre Alterung im Vergleich zu den anderen Zellen in der Batterie erhöhen und so zu ungleicher Abnutzung der Zellen in der Batterie führen.
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Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Temperaturen der Schütze 30, 50 zu ermitteln. In einer ersten Ausführungsform werden die Schütztemperaturen oder die Schützerwärmungen anhand eines Modells des jeweiligen Schützes geschätzt. Die Schätzungen basieren auf Kenntnis der Widerstandswerte der Schaltkontakte der Schütze. In die Modellbildung können Kenntnisse darüber einfließen, ob beide Schütze identisch sind oder welches die größere Wärmeentwicklung aufweist.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Schütztemperatur eines jeweiligen Schützes 30, 50 auch über einen geeigneten am jeweiligen Schütz 30, 50 platzierten oder in diesen integrierten Temperatursensor 100 gemessen und an das Batteriemanagementsystem übermittelt werden. In diesem Fall weist das Batteriemanagementsystem einen Eingang zum Empfang mindestens eines Temperaturmesssignals auf.
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Wird die Schütztemperatur gemessen und geschätzt, kann zum Beispiel auf Schäden des Sensors 100 rückgeschlossen werden. Es kann auch nur die Temperatur eines der Schütze 30, 50 gemessen und die so gemessene Temperatur zur Bestimmung der Temperatur des anderen der Schütze 30, 50, allein oder in Verbindung mit einer Schätzung der Temperatur des anderen der Schütze 30, 50, verwendet werden.
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Unabhängig davon, wie die Schütztemperatur des jeweiligen Schützes 30, 50 bestimmt wird, kann in einer beispielhaften Ausführungsform auch eine Zelltemperatur der von der Wärmeübertragung betroffenen Zellen 21 mittels Temperatursensoren 200 gemessen und/oder modellbasiert bestimmt werden.
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Es gibt verschiedene Möglichkeiten, anhand der bestimmten Temperaturen der Schütze
30,
50 unter Verwendung der ermittelten Temperaturen der Zellen
21 einen maximal zulässigen Batteriestrom beziehungsweise eine maximal zulässige Batterieladeleistung oder Batterieentladeleistung zu ermitteln. Zum Beispiel kann der funktionelle Zusammenhang etwa als Berechnungsprogramm im Batteriemanagementsystem hinterlegt sein. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Bestimmung einer Temperaturdifferenz zwischen Zelle
21 und mit der Zelle
21 elektrisch verbundenen Schütz
30,
50. Diese Differenz kann dann mit einer Kennlinie
300 verglichen werden, um den unter den gegebenen Temperaturbedingungen maximal zulässigen Batteriestrom beziehungsweise eine maximal zulässige Batterieladeleistung oder Batterieentladeleistung zu ermitteln. Dies ist beispielhaft in
2 dargestellt. Eine beispielhafte Bedatung der Kennlinie
300 ist in Tabelle 1 dargestellt, wobei die obere Zeile die Temperaturdifferenz in Grad Kelvin und die untere Zeile die zulässige Maximalleistung in Watt angibt:
| 0 | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 |
| 1000 | 1000 | 800 | 700 | 300 | 0 |
Tabelle 1
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Die Kennlinie 300 kann dabei zum Beispiel in tabellarischer Form mit einer Zuordnung von vorbestimmten Temperaturdifferenzen zu Maximalwerten von Strom beziehungsweise Leistung in einer Datenspeichervorrichtung des Batteriemanagementsystems hinterlegt sein. Ist mehr als ein Schütz in der Batterie 10 vorhanden, so kann zu jedem Schütz eine eigene Kennlinie 300 hinterlegt sein, es kann eine gemeinsame Kennlinie 300 zusammen mit den individuellen Schütztemperaturen verwendet werden oder es wird aus den Schütztemperaturen eine gemeinsame Schütztemperaturkenngröße ermittelt und zusammen mit der Kennlinie 300 zur Maximalwertermittlung verwendet. Die gemeinsame Schütztemperaturkenngröße kann beispielsweise ein Minimalwert, ein Maximalwert oder ein Mittelwert der einzelnen Schütztemperaturen sein.
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Der so ermittelte Maximalwert kann zudem mit einer anhand von weiteren Kenngrößen der Batterie 10 ermittelten Leistungsgrenze 400 verglichen und der geringere der beiden Werte in einer Minimumauswahleinheit 500 des Batteriemanagementsystems als endgültige Leistungsgrenze ausgewählt werden.
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Die endgültige Leistungsgrenze kann dann zum Beispiel an ein Fahrzeugmanagementsystem übermittelt werden, oder zur Überwachung von Batteriezuständen, insbesondere Alterungs- und/oder Abnutzungszuständen, verwendet werden. Es ist auch möglich, anhand der endgültigen Leistungsgrenze eine angeforderte Sollleistung entsprechend zu begrenzen.
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Zusätzlich zur Kennlinie
300 kann auch eine weitere Kennlinie
600 verwendet werden, die zum Beispiel in tabellarischer Form mit einer Zuordnung von vorbestimmten Schütztemperaturen zu Maximalwerten von Strom beziehungsweise Leistung in einer Datenspeichervorrichtung des Batteriemanagementsystems hinterlegt ist. Die durch Schätzung und/oder Messung ermittelte Schütztemperatur kann dann zusammen mit der weiteren Kennlinie zur Ermittlung einer weiteren Leistungsgrenze verwendet werden, wobei die weitere Leistungsgrenze dann von der Minimumauswahleinheit
500 des Batteriemanagementsystems bei der Auswahl der endgültigen Leistungsgrenze mitberücksichtigt wird. Dies ist beispielhaft in
3 dargestellt. Eine beispielhafte Bedatung der weiteren Kennlinie
600 ist in Tabelle 2 dargestellt, wobei die obere Zeile die Schütztemperatur in Grad Kelvin und die untere Zeile die zulässige Maximalleistung in Watt angibt:
| 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 |
| 1000 | 1000 | 1000 | 900 | 800 | 600 | 300 | 0 |
Tabelle 2
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Ist mehr als ein Schütz in der Batterie 10 vorhanden, so kann zu jedem Schütz eine eigene Kennlinie 600 hinterlegt sein, es kann eine gemeinsame Kennlinie 600 zusammen mit den individuellen Schütztemperaturen verwendet werden oder es wird aus den beiden Schütztemperaturen eine gemeinsame Schütztemperaturkenngröße ermittelt und zusammen mit der Kennlinie 600 zur Maximalwertermittlung verwendet.
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Alternativ zu den Kennlinien
300 und
600 können die Schütztemperatur und die Zelltemperatur zusammen mit einem Kennfeld
700 verwendet werden. Für ein Schütztemperatur-Zelltemperatur-Paar kann dann anhand der Kennlinie
700 eine Maximalleistung beziehungsweise ein Maximalstrom ermittelt werden, der zur Bestimmung der endgültigen Leistungsgrenze zum Beispiel in der oben beschriebenen Weise verwendet wird. Dies ist beispielhaft in
4 dargestellt. Eine beispielhafte Bedatung des Kennfelds
700 ist in Tabelle 3 dargestellt, wobei die obere Zeile die Zelltemperatur in Grad Kelvin, die erste Spalte die Schütztemperatur in Grad Kelvin und die restlichen Zellen die zulässige Maximalleistung in Watt angeben:
| | –20 | –10 | 0 | 10 | 20 | 30 | 50 | 100 |
| –20 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 |
| –10 | 800 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 |
| 0 | 500 | 800 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 |
| 10 | 0 | 500 | 800 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 |
| 20 | 0 | 0 | 500 | 800 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 |
| 30 | 0 | 0 | 0 | 500 | 800 | 1000 | 1000 | 1000 |
| 50 | 0 | 0 | 0 | 0 | 500 | 800 | 800 | 800 |
| 100 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 500 | 500 | 500 |
| 150 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Tabelle 3
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008041300 A1 [0005]
- DE 102008036159 A1 [0005]
- EP 1686389 [0008]
