DE102013204888A1

DE102013204888A1 - Verfahren zum Ausgleich unterschiedlicher Ladungszustände von Batterien

Info

Publication number: DE102013204888A1
Application number: DE102013204888.2A
Authority: DE
Inventors: Armin Steck; Christian Korn; Marianne Heizmann; Andreas Gleiter
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2013-03-20
Filing date: 2013-03-20
Publication date: 2014-09-25
Also published as: CN104064831B; US20140285151A1; CN104064831A; US9356452B2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Reduzierung des Gesamtladungsverlustes von Batteriezellen (16, 18) durch Ausgleich von Ladungszuständen (SoC) mit nachfolgenden Verfahrensschritten. Zunächst wird abgeprüft, ob eine Temperatur mindestens einer Balancing-Einheit i unterhalb einer vorwählbaren Temperaturgrenze liegt. Sodann erfolgt eine Abprüfung, ob ein Ladungsvorgang der Batteriezellen (16, 18) beendet ist und der Ladungszustand der Batteriezellen > 90 % beträgt. Daran schließt sich eine Ermittlung an, ob eine maximale Ladungszustands-Differenz zwischen Batteriezellen (16, 18) oberhalb einer einstellbaren Schranke DELTA_SoC liegt. Falls diese Verfahrensschritte bejaht werden, erfolgt ein autonomer Cell-Balancing-Schritt durch Beschalten der Batteriezellen (16, 18) mit Balancing-Widerständen R_bal für eine Zeitspanne ti mit ti = Q_i·R_balU_OCV·(SoC_i) , mit Q_i ≙ abzuführende Ladung der Batteriezelle i U_OCV ≙ Batteriezellenspannung bei offenem Kreis SoC_i ≙ Ladungszustand der Batteriezelle i R_bal ≙ Widerstandswert des Balancing-Widerstandes Nach Ablauf der Zeitspanne ti folgt ein Abschalten der Balancing-Einheit i.

Description

Stand der Technik
In Hybrid- und Elektrofahrzeugen werden Batteriepacks in Lithium-Ionen-Technologie eingesetzt, die aus einer großen Anzahl in Serie geschalteter elektrochemischer Batteriezellen bestehen. Mittels eines Batteriemanagementsystems werden derartige Batteriepacks, die mehrere Batteriemodule umfassen können, überwacht. Das Batteriemanagementsystem überwacht einerseits das Batteriepack, welches mehrere Batteriemodule umfassen kann, und gewährleistet andererseits eine möglichst hohe Lebensdauer der Batteriemodule des Batteriepacks.
Zur Sicherstellung einer hohen Lebensdauer einzelner Batteriemodule eines Batteriepacks, sollten die Ladezustände (State of Charge – SoC) einzelner Batteriezellen trotz unterschiedlicher Selbstentladungen aufeinander abgestimmt werden. Dies geschieht durch eine geeignete Zellsymmetrierung, die in der Regel resistiv, d.h. unter Einsatz mindestens eines Widerstands vorgenommen wird, die auch als „cell balancing“ bezeichnet wird. Dazu wird einer jeden Batteriezelle mindestens ein Widerstand und ein Schaltelement zugeordnet, um einzelne der Batteriezellen gezielt über diesen mindestens einen Widerstand, der auch als Balancing-Widerstand bezeichnet wird, entladen zu können.
Neben unterschiedlichen Selbstentladungsraten der einzelnen Batteriezellen, weichen auch die Kapazitäten der Batteriezellen bedingt durch Produktionsstreuungen voneinander ab. Dieser Effekt ist zu Beginn der Lebenszeit vernachlässigbar gering, kann sich aber im Laufe der Lebensdauer der Batteriezellen durch Unterschiede in der Zellalterung vergrößern und dazu führen, dass zwischen den Batteriezellen Kapazitätsunterschiede von bis zu mehreren Prozent auftreten können.
Es ist bekannt, ein Batteriemanagementsystem zur Überwachung der Ladezustände einer Batterie einzusetzen. Es soll neben der Sicherheitsüberwachung eine möglichst hohe Lebensdauer der Batterie gewährleisten und sicherstellen, dass die Ladezustände der einzelnen Batteriezellen aufeinander abgestimmt werden. Dies geschieht durch eine geeignete Zellsymmetrisierung, dem sogenannten „cell balancing“. Die Zellsymmetrisierung oder Ausbalancierung der Ladezustände wird in der Regel resistiv vorgenommen. Dazu wird jeder Zelle ein Widerstand und ein Schaltelement zugeordnet, um einzelne Batteriezellen gezielt entladen zu können. Aus DE 10 2006 00022 394 A1 ist eine Vorrichtung zum Ladungsabgleich einer Energiequelle mit mehreren Zellen bekannt, bei der die Zellen mit einer Entladeeinheit zum Ladungsabgleich verbunden sind, welche die Batteriezellen wenigstens teilweise entlädt. Gemäß des Standes der Technik ist es aber auch möglich, das cell balancing kapazitiv – d.h. mit geschalteten Kondensatoren – beziehungsweise induktiv – mittels geschalteter Induktivität – durchzuführen. In diesen beiden Fällen kann Energie zwischen den Zellen mit beschränktem Wirkungsgrad ausgetauscht werden, während die Energie beim resistiven cell balancing nur in Wärme umgewandelt werden kann und somit verloren geht.
Es ist bekannt, dass die maximal erlaubte Ladeleistung mit steigendem Ladezustand abnimmt, während die maximal erlaubte Entladeleistung zunimmt. Aus diesem Grunde wäre es nach dem Stande der Technik wünschenswert, ein Batteriepack für Hybrid- oder für Elektrofahrzeuge bei einem Ladezustand von 50% zu betreiben. In der Regel wird in der Praxis jedoch ein Betriebsfenster eingesetzt, zum Beispiel zwischen 40% und 60% Ladezustand. Für „plug-in-hybride“ ist das Betriebsfenster entsprechend größer, zum Beispiel 10% bis 90% Ladezustand.
Eine gängige Balancing-Strategie versucht, einen stets gleichen Ladezustand (SoC) aller Batteriezellen zu erzielen. Um dies zu erreichen, wird in der Regel auf identische Ruhespannungen aller Batteriezellen symmetrisiert. Bei neuwertigen Batteriezellen mit nahezu identischer Kapazität ist diese Strategie gerechtfertigt. Für Batteriezellen unterschiedlicher Kapazität jedoch, wie sie sich durch Produktionsstreuungen und Alterung einstellen, führt diese Balancing-Strategie allerdings zu unnötigen Energieverlusten durch das Balancing.
In Batteriesystemen, in denen die Kapazität der einzelnen Batteriezellen nicht bekannt ist und ein resistives Cell-Balancing hin zu einem gemeinsamen Ladezustand (SoC) vorgenommen wird, ist die insgesamt auszugleichende Ladung sehr hoch, da unnötigerweise Ladung über die Balancing-Widerstände abgeführt wird, die weit über dem reinen Ausgleich der verschiedenen Selbstentladungen der einzelnen Batteriezellen liegt.
Gemäß der Darstellung in 1 weisen zwei unterschiedliche Batteriezellen 16, 18 eines nicht näher dargestellten Batteriemoduls initial einen Ladezustand 10 (SoC) auf, der 50% beträgt, wobei die Kapazität der ersten Batteriezelle 16 kleiner als die der zweiten Batteriezelle 18 ist. Ausgehend von diesem im ersten Schritt betrachteten Zustand, erfolgt im zweiten Schritt ein Ladevorgang 12 der beiden Batteriezellen 16 und 18, während dem der aktuelle Ladungszustand (SoC) der beiden Batteriezellen 16, 18 ansteigt, wie in Schritt 2 angedeutet. Beim Ladevorgang steigt der aktuelle Ladezustand 24 der ersten Batteriezelle 16 über denjenigen aktuellen Ladezustand 24, den die zweite Batteriezelle 18 aufweist. Daher erfolgt in Schritt 2 gemäß der Darstellung in 1 eine Entladung 22 der ersten Batteriezelle 16, sodass die beiden Ladezustände 24 aneinander anzugleichenden Batteriezellen in Schritt 3 wieder identisch sind.
Schritt 4 zeigt, dass ausgehend vom Ladezustand 10 der beiden Batteriezellen 14, 16, der 50% entspricht, ein Entladevorgang 14 erfolgt, während der aktuelle Ladezustand 24 der ersten Batteriezelle 16 den aktuellen Ladezustand 24 der zweiten Batteriezelle 18 um einen Ladungsüberschuss übersteigt, sodass wie in Schritt 4 der Darstellung gemäß 1 dargestellt, eine Entladung 26 der zweiten Batteriezelle 18 erfolgt, sodass sich die beiden Ladungszustände (SoC‘s) der ersten Batteriezelle 16 und der zweiten Batteriezelle 18 wieder aneinander angleichen und in Schritt 5 wieder identisch sind. Der Darstellung gemäß 1 ist mithin zu entnehmen, dass bei einem derartigen permanenten Ladungsausgleich, d.h. dem Anstreben des Zieles, dass alle Batteriezellen 16, 18 den gleichen Ladungszustand (SoC) aufweisen, nicht nur unnötig Ladung über die zum resistiven Balancing erforderlichen Balancing-Widerstände abgeführt wird, sondern, dass es auch gleichzeitig zu unnötig vielen, d.h. einer vermeidbaren Anzahl von Schaltvorgängen der Balancing-Einheit (BCU) kommt. Diese wiederum führen zu einer deutlichen Lebensdauerreduzierung der zum resistiven Balancing eingesetzten BCU’s.
Darstellung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Vorgabe eines fest begrenzten Ladungszustandsfensters (SoC-Fenster), innerhalb dessen ein Cell-Balancing stattfinden kann, die Summe zu viel ausgeglichener Ladung unter Beibehaltung des SoC- basierten Cell-Balancings zu reduzieren.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren vorgeschlagen, gemäß dem ein Cell-Balancing nur innerhalb eines bestimmten, wohl definierten Ladungszustand-Fensters (SoC-Fenster) zugelassen wird. Bevorzugt kann dieses SoC-Fenster dadurch vorgegeben sein, dass nur eine voll geladene Batteriezelle, die einen Ladezustand (SoC) > 90% aufweist, zur Symmetrisierung herangezogen werden darf. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren zum Ausgleich unterschiedlicher Ladungszustände von Batteriezellen innerhalb eines wohldefinierten SoC-Fensters benötigt neben einer BCU, welche ein resistives Ladungsausgleichen erst ermöglicht, und eine Anzahl von Widerständen umfasst, die an einer Batteriezelle geschaltet werden können, ferner eine Schaltlogik für die BCU.
Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren werden Randbedingungen abgeprüft, zum Beispiel, ob sich das Elektro- oder Hybridfahrzeug aktuell im Parkmodus befindet oder nicht. Das Fahrzeug darf sich keinesfalls im Lade- oder Entlademodus befinden. Des Weiteren wird zur Durchführung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens durch das Batteriemanagementsystem abgeprüft, ob die Batteriezelle voll geladen ist, d.h. ein Ladevorgang beendet ist und der Ladezustand der Batteriezelle sich oberhalb von 90% befindet. Des Weiteren wird abgeprüft, ob sich die Temperatur einer Balancing-Einheit (BCU) unterhalb einer einstellbaren Temperaturgrenze befindet, die beispielsweise durch eine Temperatur wie 40°C oder 45°C gegeben sein kann, damit sich bei Durchführung eines Cell-Balancing-Vorgangs keine Überhitzung der BCU einstellt.
Neben der Überprüfung der oben genannten drei Randbedingungen erfolgt, dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren folgend, eine Überprüfung 42, ob tatsächlich ein Cell-Balancing-Bedarf besteht. Dazu ist es erforderlich, dass eine maximale Ladezustandsdifferenz (SoC-Differenz) aller Batteriezellen oberhalb einer einstellbaren Schranke DELTA_SoC liegt, die beispielsweise in der Größenordnung von 3% festgelegt werden kann. Selbstverständlich können auch andere Spreads, d.h. Differenzen des Ladezustands, in diesem Zusammenhang vorgegeben werden. Um dies zu ermitteln, wird der minimale Ladezustand aller Batteriezellen, d.h. der Wert SoC_MIN bestimmt. Gilt für mindestens eine der Batteriezellen i, dass deren individueller Ladezustand SoC_i mehr als DELTA_SoC größer als SoC_MIN ist, besteht Bedarf nach einem Cell-Balancing-Vorgang.
Falls der Bedarf wie vorstehend erläutert vorliegt, und die genannten drei Randbedingungen erfüllt sind, findet ein Balaning-Vorgang autonom statt. Dies bedeutet, dass die BCU den relevanten Balancing-Einheiten die Anforderung erteilt, für eine bestimmte Zeit die zur resistiven Durchführung des Cell-Balancing-Schrittes erforderlichen Balancing-Widerstände R_bal an die jeweiligen Batteriezellen zu schalten. Die BCU‘s dürfen sich bei Erhitzung über eine bestimmte Temperaturschwelle hinaus abschalten, jedoch ist auszuschließen, dass sich die BCU‘s selbstständig wieder einschalten.
Schließlich wird in einer weiteren Operation der individuelle Balancing-Bedarf pro Batteriezelle ermittelt. Der Bedarf an abzuführender Ladung einer Batteriezelle i ergibt sich
zu Q_i = C_NOM·(SoC_i – SoC_MIN),
mit C_NOM als Nominalkapazität der Batteriezellen.
Entsprechend der Spannung U_OCV beim SoC der Batteriezelle sowie dem Widerstandswert des Balancing-Widerstandes R_bal kann nun mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes die Zeitspanne, während derer das Cell-Balancing-Verfahren durchzuführen ist, ermittelt werden, gemäß nachfolgender Beziehung:

R_bal:: Balancing-Widerstand,
SoC_i: Ladezustand Batteriezelle i,
Q_i: abzuführende Wärmemenge und
U_OCV:: Spannung der Batteriezelle.

Jede Balancing-Einheit i wird nun für die obenstehend ermittelte Zeitspanne t_i geschaltet, maximal jedoch für eine einstellbare maximale Zeit. Die obere Zeitschranke dient dem Schutz vor Überhitzung.
Es besteht in Weiterführung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens die Möglichkeit, das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren durch Anpassung der oben genannten Parameter an Batteriesysteme beziehungsweise eine Betriebsstrategie für ein Batteriepack zu übernehmen. Der Parameter DELTA_SoC definiert die erlaubte Ladezustands-Varianz, unterhalb derer die Durchführung eines Balancing-Schrittes unzulässig ist. Dies bedeutet wiederum, dass wenn auf diese Grenze, d.h. SoC_MIN gebalanced wird, der Unterschied zwischen maximalem und minimalem Ladezustand (SoC) der Batteriezellen gerade DELTA_SoC beträgt. Der Wert sollte auf jeden Fall so gewählt werden, dass dieser groß gegen das Unsicherheitsintervall ist, innerhalb dessen der Batteriezellen-Ladezustand SoC bestimmt werden kann.
Die Maximaltemperatur der Balancing-Einheit vor Einschalten des Balancing-Vorganges sollte so gewählt werden, dass durch die zusätzliche erwartete Temperaturentwicklung während des Durchführens des Cell-Balancings die maximale Betriebstemperatur der Balancing-Einheit nicht überschritten wird.
Vorstehend wurde erwähnt, dass gemäß des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens das Cell-Balancing erst ab einem individuellen Ladezustand einer der Batteriezellen von > 90% durchgeführt werden darf. Anstelle dieses SoC-Fensters zwischen 90% und 100% Ladezustand, kann auch ein beliebiges anderes SoC-Fenster herangezogen werden. Wichtig bei der Auswahl des Fensters, innerhalb dessen das Cell-Balancing erfolgt, ist, dass es einerseits nicht zu groß wird, sonst gehen entscheidende Vorteile verloren, andererseits ist es aber groß genug zu wählen, dass mit genügend großer Wahrscheinlichkeit das Fahrzeug in diesem SoC-Fenster zum Parken kommt.
Um ein zu starkes Auseinanderlaufen von individuellen Ladezuständen SoC_i für den Fall zu vermeiden, dass das Fahrzeug sehr lange Zeit nicht im gewählten SoC-Fenster parkt, kann das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren noch um ein „Notfall-Cell-Balancing“ erweitert werden. Gemäß dieser Erweiterung kann zum Beispiel das Cell-Balancing zusätzlich ab einer SoC-Varianz DELTA2_SoC >> DELTA_SoC durchgeführt werden, wobei dann die drei Randbedingungen, die im ersten Verfahrensschritt abgeprüft werden, entweder durch ein größeres SoC-Fenster hinsichtlich eines größeren Ladezustands erweitert werden und/oder die Einschränkung hinsichtlich des Parkmodus des Elektro- oder Hybridfahrzeugs aufgelockert werden kann.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren ermöglicht die Vornahme eines Ausgleichs von Ladungsunterschieden, d.h. ein Cell-Balancing zwischen Batteriezellen eines Batteriemoduls eines Batteriepacks für ein Hybrid- oder für ein Elektrofahrzeug, wobei dieser Ladungsausgleich bei Kapazitätsunterschieden der einzelnen Batteriezellen in Bezug aufeinander im Bereich von zumindest 20 % ohne explizite Kenntnis der einzelnen exakten Batteriezellenkapazitäten möglich ist. Wie viel Kapazitätsunterschied letztendlich ohne Kenntnis der tatsächlichen Kapazität vom System verkraftet werden kann, hängt in nicht unerheblichem Maße vom Fahrprofil des Fahrers ab.
Des Weiteren kann durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren der Ladungsverlust, der durch das Cell-Balancing auftritt, erheblich reduziert werden. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren erlaubt in vorteilhafter Weise, dass das Cell-Balancing individuell auf die Selbstentladungscharakteristik einzelner verschiedener individueller Batteriezellen durch Wahl eines entsprechenden Mindestzeitintervalls angepasst werden kann, und somit unterschiedliche Alterungszyklen einzelner Batteriezellen berücksichtigt.
Ein weiterer, mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung verbundener Vorteil ist darin zu erblicken, dass die Lebensdauer der zum Cell-Balancing eingesetzten Balancing-Widerstände R_bal verlängert werden kann. Eine Verlängerung der Lebensdauer lässt sich insbesondere durch die mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren erzielbare Beschränkung der Anzahl von Schaltzyklen erreichen. Es werden so viele Schaltzyklen durch die BCU zugelassen, wie für das Cell-Balancing benötigt werden und andererseits durch die Entlademittel erlaubt sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:
1 in schematischer Wiedergabe ein permanent erfolgendes Cell-Balancing zweier Batteriezellen, um einen identischen Ladezustand (SoC) zu erreichen beziehungsweise beizubehalten und
2 ein Blockschaltbild für ein Cell-Balancing im erlaubten, d.h. zugelassenen SoC-Fenster zwischen 90% und 100%.
Der Darstellung gemäß 1 ist in schematischer Weise der kontinuierliche Ausgleich von Ladungsunterschieden an Batteriezellen zu entnehmen, wobei gemäß der Darstellung in 1 an zwei benachbarten Batteriezellen ein permanentes Cell-Balancing durchgeführt wird.
1 zeigt die permanente Durchführung von Ausgleichsschritten (Cell-Balancing-Schritten zur Beibehaltung eines identischen Ladezustande SoC) zwischen zwei Batteriezellen 16 und 18. Ausgehend von einem Ladezustand 10, der ein Ladezustand (SoC-Level) von 50 % entspricht, ist in 1 bei Schritt 1 dargestellt, dass ein Ladevorgang 12 in vertikale Richtung nach oben in Bezug auf den Ladezustand 10 verläuft, während ein Entladevorgang, vergleiche Bezugszeichen 14, in die entgegengesetzte Richtung bezogen auf den Ladezustand 10 verläuft.
Die erste Batteriezelle ist mit Bezugszeichen 16 bezeichnet, die weitere, zweite Batteriezelle mit Bezugszeichen 18. Im ersten Schritt gemäß der Darstellung in 1 haben beide Batteriezellen 16, 18 einen identischen Ladezustand 10 von ca. 50 %. Im zweiten Schritt ist erkennbar, dass eine Ladung beider Batteriezellen 16, 18 gemäß eines Ladevorganges 12 über den Ladezustand 10 von 50 % erfolgt. Bezogen auf die Steigung ist beim Übergang vom zweiten auf den dritten Schritt die erste Batteriezelle 16 geringfügig zu entladen, bis, vergleiche im dritten Schritt, die beiden aktuellen Ladezustände 24 der ersten Batteriezelle 16 und der zweiten Batteriezelle 18 wieder einander entsprechen. Im vierten Schritt gemäß der Darstellung in 1 erfolgt ein Entladevorgang 14 der beiden Batteriezellen 16, 18 derart, dass der aktuelle Ladezustand 24 unter den Ladezustand von 50 % abfällt. Um beide Batteriezellen 16 und 18 wieder auf einen identischen Ladezustand zu bringen, ist, wie in Schritt 4 angedeutet, eine resistive Teilentladung der zweiten Batteriezelle 18, durch Bezugszeichen 26 in Schritt 4 gemäß 1 angedeutet, erforderlich. In Schritt 5 sind die beiden Batteriezellen 16, 18 wieder ausbalanciert, d.h. weisen einen einander entsprechenden aktuellen Ladezustand 24 auf, der unterhalb des Ladezustandes 10 von 50 % liegt.
Das anhand von 1 skizzierte Balancieren von Batteriezellen, d.h. der Ausgleich unterschiedlicher Ladungszuständen zwischen mindestens zwei Batteriezellen 16, 18, lässt sich einerseits dadurch beschreiben, dass es zu relativ vielen Schaltvorgängen von Balancing-Einheiten (BCU) kommt, die zu einer deutlichen Lebensdauerreduzierung dieser Balancing-Einheiten führen, ebenso wie auch der zum resistiven Balancing erforderlichen Balancing-Widerstände. Wird die Batterie, wie in 1 angedeutet, permanent so ausgeglichen, dass alle Batteriezellen gleichen Ladungszustand haben, wird zudem unnötig Ladung über die zum resistiven Cell-Balancing eingesetzten Balancing-Widerstände abgeführt.
Ausführungsvarianten
2 zeigt die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorgehensweise zur Durchführung eines Cell-Balancings von Batteriezellen, d.h. einem Ausgleich unterschiedlicher Ladezustände zwischen diesen unter Minimierung der Verlustladung sowie unter Minimierung der zur Durchführung des Cell-Balancings erforderlichen Schaltzyklen durch die BCU.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren umfasst hinsichtlich eines vorgesehenen Batteriemanagementsystems folgende Komponenten. Es ist eine Battery Control Unit (BCU) vorgesehen, welche den aktuellen Ladungszustand (SoC) aller in Serie geschalteten Batteriezellen 16, 18 ermitteln kann. Für eine jede der Batteriezellen i bzw. 16, 18 ist eine Balancing-Einheit i vorgesehen, die eine Menge an Widerständen R_bal umfasst, ferner eine Schaltlogik aufweist, wobei die einzelnen Balancing-Widerstände R_bal an eine Batteriezelle i geschaltet werden können.
Dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren folgend, was in 2 gemäß eines Blockschaltbildes 30 dargestellt wird, erfolgt zunächst eine Abprüfung, ob bestimmte Randbedingungen erfüllt sind. So wird zunächst innerhalb einer Abfrage 32 geklärt, ob sich das Elektro- bzw. Hybridfahrzeug im Parkmodus befindet oder nicht. Danach erfolgt eine Abfrage 34 dahingehend, ob die Batteriezellen i vollgeladen sind, d.h. ein möglicherweise vorher stattgefundener Ladungsvorgang beendet ist und im Rahmen einer UND-Verknüpfung 36 wird diese Abfrage damit verknüpft, ob der jeweilige Ladezustand der Batteriezellen i bei mehr als 90 % liegt. Des Weiteren erfolgt eine Abfrage 38 dahingehend, ob die Temperatur einer Battery Control Unit, die eine Balancing-Einheit i umfasst, sicher unterhalb einer einstellbaren Temperaturgrenze, beispielsweise 40°C oder 45°C liegt.
Danach erfolgt eine Ermittlung 40 von Ladungszustands-Differenzen zwischen einzelnen Batteriezellen i. Es wird abgeprüft, ob eine maximale Ladungszustands-Differenz aller Batteriezellen i oberhalb einer einstellbaren Schranke DELTA_SoC liegt. Diese maximal einstellbare Schranke DELTA_SoC kann zum Beispiel in der Größenordnung von etwa 3 % liegen. Bei der Bestimmung, ob ein Balancing-Bedarf vorliegt, wird der minimale Ladungszustand aller Zellen, ein Wert SoC_MIN bestimmt. Wird ein Balancing-Bedarf verneint, so führt die Verneinung 50 zu einem inaktiven Endzustand 46 des Verfahrens.
Gilt für mindestens eine Batteriezelle i, dass ihr individueller Ladungszustand SoC_i um mehr als DELTA_SoC über SoC_MIN liegt, besteht ein Balancing-Bedarf. Falls der Cell-Balancing-Bedarf gemäß oben stehender Abprüfung als bestehend angesehen wird, im Blockschaltbild mit dem Bezugszeichen 48 gekennzeichnet, sowie die weiter oben diskutierten Randbedingungen erfüllt sind, erfolgt die Durchführung eines Cell-Balancing-Schrittes 44, wobei nachfolgende Randbedingungen zu beachten sind:
Das Cell-Balancing findet autonom statt, d.h. die Battery Control Unit (BCU) gibt den relevanten Balancing-Einheiten i die Anforderung, für eine bestimmte Zeit die Balancing-Widerstände R_bal an die jeweiligen Batteriezellen 16, 18 bzw. i zu schalten. Dadurch erfolgt ein resistives Cell-Balancing für eine vorbestimmte Zeit t_i. Die eingesetzten Balancing-Einheiten i dürfen sich bei Erwärmung über eine bestimmte Temperaturschwelle hinaus abschalten, jedoch wird nicht zugelassen, dass sich die entsprechenden Balancing-Einheiten i selbstständig wieder einschalten.
Es erfolgt die Bestimmung eines individuellen Balancing-Bedarfes. Dies erfolgt dadurch, dass pro Batteriezelle i der Bedarf an abzuführender Ladung ermittelt wird, nämlich die abzuführende Ladungsmenge Q_i. Die Ermittlung der abzuführenden Ladungsmenge Q_i erfolgt gemäß nachfolgender Beziehung: Q_i ≙ C_NOM·(SoC_i – SoC_MIN) mit
C_NOM ≙ Nominalkapazität der Batteriezelle i.
Entsprechend der Spannung U_OCV beim individuellen Ladungszustand SoC_i der Batteriezelle i sowie dem Wert des Balancing-Widerstandes R_bal wird die Zeit t_i, während der ein Balancing-Schritt durchgeführt werden soll, gemäß nachfolgender Beziehung ermittelt: t_i = Q_i·R_bal / U_OCV·(SoC_i) , mit

Q_i: ≙ abzuführende Ladung der Batteriezelle i
U_OCV: ≙ Batteriezellenspannung bei offenem Kreis
SoC_i: ≙ Ladungszustand der Batteriezelle i
R_bal: ≙ Widerstandswert des Balancing-Widerstandes

Eine jede der Balancing-Einheiten i wird für die gemäß oben stehend ermittelt Zeit t_i geschaltet, maximal jedoch nur für eine einstellbare maximale Zeit. Die einstellbare maximale Zeit dient dem Schutz der individuellen Balancing-Einheiten i vor Überhitzung. Die zur Durchführung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens relevanten Parameter können entsprechend des jeweiligen Batteriesystems bzw. der Betriebsstrategie des Batteriemoduls oder des Batteriepacks angepasst werden. Der Wert DELTA_SoC definiert die erlaubte Ladungszustandsvarianz, unterhalb derer nicht gebalanced werden darf. Wird jedoch auf diesen Grenzwert hin das Balancing durchgeführt, so beträgt der Unterschied zwischen maximalem und minimalem Ladungszustand der Batteriezellen i gerade DELTA_SoC. Dieser Wert sollte auf jeden Fall so gewählt werden, dass er groß gegen das Unsicherheitsintervall ist, in dem der Batteriezellen-SoC_i bestimmt wird.
Die Maximaltemperatur der Balancing-Einheit i vor Einschalten des Cell-Balancing ist so zu wählen, dass durch die zusätzlich erwartete, während des Cell-Balancing-Verfahrens auftretende Temperaturerhöhung, die maximale Betriebstemperatur der jeweiligen Balancing-Einheit_i nicht unterschritten wird. Nach Abschluss des Cell-Balancing-Schritts 44 wird zum Abschluss des Verfahrens ein inaktiver Endzustand 46 erreicht.
In Ausgestaltungen des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann anstelle des oben stehend im Rahmen der Randbedingungenabprüfung beschriebenen SoC-Ladezustandsfensters zwischen 90 % SoC und 100 % SoC ein beliebiges anderes Ladungszustandsfenster herangezogen werden. Bei der Auswahl dieses Fensters ist wichtig, dass es einerseits nicht zu groß gewählt wird. Andererseits ist es jedoch groß genug zu wählen, damit das Fahrzeug mit genügend hoher Wahrscheinlichkeit innerhalb dieses Ladungszustands-Fensters zum Parken kommt.
Um ein Auseinanderlaufen individueller Ladungszustände SoC_i der Batteriezellen für den Fall zu vermeiden, dass das Fahrzeug sehr lange nicht im gewählten SoC-Fenster zum Parken kommt, kann das Verfahren um ein Notfall-Balancing erweitert werden: Danach kann das Cell-Balancing für individuelle Batteriezellen i zusätzlich ab einer Ladungszustandsvarianz von DELTA2_SoC >> DELTA_SoC durchgeführt werden. Die Rahmenbedingungen beim Notfall-Balancing können entweder durch ein größeres zugelassenes Ladungszustands-Fenster aufgelockert werden, oder eine Einschränkung, wonach sich das Fahrzeug im Parkmodus und demnach nicht im Lade- oder Entlademodus befinden muss, kann aufgelockert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10200600022394 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Reduzierung des Gesamtladungsverlustes von Batteriezellen (16, 18) durch Ausgleich von Ladungszuständen (SoC) mit nachfolgenden Verfahrensschritten: a) dem Abprüfen von Randbedingungen, ob – eine Temperatur mindestens einer Balancing-Einheit i unterhalb einer vorwählbaren Temperaturgrenze liegt, – ein Ladungsvorgang der Batteriezellen (16, 18) beendet ist und der Ladungszustand der Batteriezellen (16, 18) > 90 % beträgt. b) einer Ermittlung, ob eine maximale Ladungszustands-Differenz der Batteriezellen (16, 18) oberhalb einer einstellbaren Schranke DELTA_SoC liegt, c) falls die Verfahrensschritte a) und b) zu bejahen sind, erfolgt ein autonomer Cell-Balancing-Schritt durch Beschalten der Batteriezellen (16, 18) mit Balancing-Widerständen R_bal für eine Zeitspanne t_i mit t_i = Q_i·R_bal / U_OCV·(SoC_i) , wobei Q_i ≙ abzuführende Ladung der Batteriezelle i U_OCV ≙ Batteriezellenspannung bei offenem Kreis SoC_i ≙ Ladungszustand der Batteriezelle i R_bal ≙ Widerstandswert des Balancing-Widerstandes und d) dem Abschalten der Balancing-Einheit i nach Ablauf der Zeitspanne t_i.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gemäß Verfahrensschritt c) abzuführende Ladung Q_i der Batteriezelle i gemäß nachfolgender Beziehung bestimmt wird: Q_i ≙ C_NOM·(SoC_i – SoC_MIN) mit C_NOM ≙ Nominalkapazität der Batteriezelle i.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Verfahrensschritt b) bezüglich des Balancierungsbedarfes dieser bejaht wird, wenn für mindestens eine Batteriezelle i der individuelle Ladungszustand SoC_i um mehr als DELTA_SoC > SoC_MIN ist, erfüllt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Balancing-Einheiten i bei Erwärmung über eine Temperaturschwelle T_Grenz selbsttätig abschaltet und abgeschaltet bleiben.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Balancing-Einheiten i für die Zeit t_i geschaltet bleiben, maximal jedoch für eine einstellbare maximale Zeit t_max.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter SoC_MIN, der minimale Ladungszustand einer individuellen Batteriezelle i oberhalb einer gewünschten Ladereserve liegt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter DELTA_SoC eine zulässige SoC-Varianz definiert, unterhalb derer keine Balancing-Schritte vorgenommen werden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Balancing-Vorgang auf den Parameter DELTA_SoC balanciert wird und der Unterschied zwischen maximalem und minimalem Ladezustand SoC der Batteriezellen (16, 18) dem Wert DELTA_SoC entspricht.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale Zyklenzahl der Balancing-Einheit i und die Deckung eines eventuellen Symmetrierungsbedarfes durch die Dauer t_i eines Balancing-Schrittes aneinander angepasst werden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß des vorstehenden Verfahrens individuell einzelne Batteriezellen i bzw. Untermengen von Batteriezellen i gebalanced werden.