DE102013214817A1 - Method for diagnosing a condition of a battery - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Zustands einer Batterie, die mehrere Batterieeinheiten aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass ein Ladezustandsausgleichsbedarfswert ermittelt wird, mögliche Diagnoseoptionen ermittelt werden, der ermittelte Ladezustandsausgleichsbedarfswert mit einem Bedarfsschwellwert für eine ermittelte mögliche Diagnoseoption verglichen wird und hieraus der Zustand der Batterieeinheiten diagnostiziert wird. Es werden außerdem ein Computerprogramm und ein Batteriemanagementsystem angegeben, welche zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet sind, sowie eine Batterie und ein Kraftfahrzeug, dessen Antriebssystem mit einer derartigen Batterie verbunden ist.The invention relates to a method for diagnosing a condition of a battery having a plurality of battery units. It is provided that a charge state compensation requirement value is determined, possible diagnosis options are determined, the determined state of charge compensation value is compared with a demand threshold for a determined possible diagnostic option and from this the state of the battery units is diagnosed. A computer program and a battery management system, which are set up to carry out the method, as well as a battery and a motor vehicle, whose drive system is connected to such a battery, are also specified.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Zustands einer Batterie, die mehrere Batterieeinheiten aufweist.The invention relates to a method for diagnosing a condition of a battery having a plurality of battery units.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Computerprogramm und ein Batteriemanagementsystem, welche zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet sind. Weiterhin werden eine Batterie und ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Batterie angegeben.The invention also relates to a computer program and a battery management system, which are set up to carry out the method. Furthermore, a battery and a motor vehicle are specified with such a battery.
In Hybrid- und Elektrofahrzeugen werden Batteriepacks in Nickel-Metallhydrid-Technologie oder Lithium-Ionen-Technologie eingesetzt, die aus einer großen Anzahl in Serie geschalteter elektrochemischer Zellen bestehen. Ein Batteriemanagementsystem dient zur Überwachung der Batterie und soll neben der Sicherheitsüberwachung eine möglichst hohe Lebensdauer der Batterie gewährleisten.Hybrid and electric vehicles use battery packs in nickel-metal hydride technology or lithium-ion technology, which consist of a large number of series-connected electrochemical cells. A battery management system is used to monitor the battery and, in addition to the safety monitoring, should ensure the longest possible battery life.
Eine Aufgabe des Batteriemanagementsystems ist, Ladezustände (state of charge, SOC) der einzelnen Batterieeinheiten trotz unterschiedlicher Selbstentladungen und unterschiedlicher Ladeeffizienzen aufeinander abzustimmen. Dies geschieht beispielsweise durch eine geeignete Symmetrisierung der Batterieeinheiten (Balancing), die in der Regel resistiv vorgenommen wird. Dazu wird zu jeder Batterieeinheit ein Widerstand und ein Schaltelement vorgesehen, um einzelne Batterieeinheiten gezielt über diesen so genannten Balancing-Widerstand entladen zu können. Ein derartiges Verfahren zum Ladungszustandsausgleich von Batterieeinheiten ist beispielsweise in der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Diagnose eines Zustands einer Batterie, die mehrere Batterieeinheiten aufweist, sind die folgenden Schritte vorgesehen:
- a) Ermitteln eines Ladezustandsausgleichsbedarfswertes;
- b) Ermitteln von möglichen Diagnoseoptionen;
- c) Vergleichen des ermittelten Ladezustandsausgleichsbedarfswertes mit einem Bedarfsschwellwert für eine ermittelte mögliche Diagnoseoption und
- d) Diagnostizieren des Zustands der Batterieeinheiten.
- a) determining a state of charge balance demand value;
- b) determining possible diagnostic options;
- c) comparing the determined state of charge compensation demand value with a demand threshold value for a determined possible diagnostic option and
- d) diagnosing the condition of the battery units.
Im Schritt a) wird für jede Batterieeinheit ein Ladezustandsausgleichsbedarfswert ermittelt. Somit kann ermittelt werden, welche Batterieeinheit defekt oder minderwertig ist.In step a), a state of charge compensation value is determined for each battery unit. Thus, it can be determined which battery unit is defective or inferior.
Die Diagnose des Zustands der Batterie erfolgt in Form der Diagnose des Zustands der Batterieeinheiten im Schritt d) anhand des Ergebnisses des Vergleichs in Schritt c). The diagnosis of the state of the battery is made in the form of the diagnosis of the state of the battery units in step d) based on the result of the comparison in step c).
Vorteilhaft kann bei Feststellen einer signifikanten Abweichung des ermittelten Ladezustandsausgleichsbedarfswerts mit dem Bedarfsschwellwert für die ermittelte mögliche Diagnoseoption auf defekte oder minderwertige Batterieeinheiten geschlossen werden. In Schritt d) erfolgt eine Identifikation der defekten oder minderwertigen Batterieeinheiten, z. B. durch Speichern eines Eintrags in einem Fehlerspeicher, durch Ausgabe eines Warnsignals oder beispielsweise auch durch Überführung des Fahrzeugs in einen so genannten limp home-Zustand, falls beispielsweise eine Vielzahl von Batterieeinheiten als defekt oder minderwertig identifiziert wurden. Der Fahrer kann hieraufhin den Austausch der betroffenen Batterieeinheiten veranlassen.Advantageously, upon detection of a significant deviation of the determined state of charge compensation requirement value with the demand threshold value for the determined possible diagnostic option, it can be concluded that defective or inferior battery units are involved. In step d), an identification of the defective or inferior battery units, z. Example, by storing an entry in a fault memory, by issuing a warning signal or, for example, by transferring the vehicle into a so-called limp home state, for example, if a plurality of battery units have been identified as defective or inferior. The driver can then arrange for the replacement of the affected battery units.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens sind durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen möglich.Advantageous developments and improvements of the method specified in the independent claim are possible by the measures listed in the dependent claims.
Nach einer Ausführungsform umfassen die möglichen Diagnoseoptionen in Schritt b) eine erste Diagnoseoption, welche eine erhöhte Selbstentladungsrate zumindest einer Batterieeinheit, bevorzugt erhöhte Selbstentladungsraten aller Batterieeinheiten betrifft. Die Selbstentladungsrate kann als ein Maß für den Gesundheitszustand (state of health, SOH) der Batterieeinheit betrachtet werden. Vorteilhaft wird also anhand des Ladezustandsausgleichsbedarfswerts auf die erhöhte Selbstentladungsrate der betroffenen Batterieeinheiten geschlossen.According to one embodiment, the possible diagnostic options in step b) include a first diagnostic option, which relates to an increased self-discharge rate of at least one battery unit, preferably increased self-discharge rates of all battery units. The self-discharge rate may be considered as a measure of the state of health (SOH) of the battery pack. Advantageously, the increased self-discharge rate of the affected battery units is therefore concluded on the basis of the charge state compensation requirement value.
Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass die Möglichkeit der ersten Diagnoseoption anhand des Vorliegens eines begrenzten SOC-Fensters (SOC, state of charge) ermittelt wird. Möglich wird dies beispielsweise durch Entladen und anschließendes Aufladen der Batterieeinheit zum ursprünglichen Ladezustand oder durch Aufladen und anschließendes Entladen. Besonders vorteilhaft ist ein SOC-Fenster, dass in einem Bereich liegt, der für einen bestimmten Fahrzeugtyp, wie einem Elektrofahrzeug (EV, electric vehicle) oder einem Hybridfahrzeug (HEV, hybrid electrical vehicule), in der Regel an jedem Fahrtag erreicht wird. Bei einem Hybridfahrzeug ist vorteilhaft, wenn das begrenzte SOC-Fenster durch SOC-Werte von 40% und 50% definiert wird. Bei einem Elektrofahrzeug ist vorteilhaft, wenn das begrenzte SOC-Fenster durch SOC-Werte von oberhalb 80 % oder oberhalb 90 % definiert wird. It is preferably provided that the possibility of the first diagnostic option is determined on the basis of the presence of a limited SOC window (SOC, state of charge). This is possible for example by discharging and then charging the battery unit to the original state of charge or by charging and then Discharged. Particularly advantageous is an SOC window that is within a range achieved for a particular type of vehicle, such as an electric vehicle (EV) or hybrid vehicle (HEV), typically on each day of travel. In a hybrid vehicle, it is advantageous if the limited SOC window is defined by SOC values of 40% and 50%. In an electric vehicle, it is advantageous if the limited SOC window is defined by SOC values above 80% or above 90%.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die möglichen Diagnoseoptionen eine zweite Diagnoseoption, welche einen Kapazitätsverlust zumindest einer Batterieeinheit, bevorzugt Kapazitätsverluste aller Batterieeinheiten betrifft. Der Kapazitätsverlust entsteht durch die Alterung der Batterieeinheit und stellt im Rahmen der Erfindung ein weiteres Maß für den Gesundheitszustand der Batterieeinheit bereit. Besonders vorteilhaft wird also anhand des Ladezustandsausgleichsbedarfswerts auf einen möglichen Kapazitätsverlust der betroffenen Batterieeinheiten geschlossen.According to a preferred embodiment, the possible diagnostic options include a second diagnostic option, which relates to a capacity loss of at least one battery unit, preferably capacity losses of all battery units. The capacity loss is caused by the aging of the battery unit and provides in the context of the invention provides a further measure of the health of the battery unit. It is therefore particularly advantageous to infer a possible loss of capacity of the affected battery units on the basis of the charge state compensation requirement value.
Bevorzugt wird die zweite Diagnoseoption anhand des Vorliegens eines Zeitraums ermittelt, der kürzer als ein Referenzzeitraum ist, beispielsweise kürzer eine Stunde oder kürzer als 2 Stunden. Insbesondere kann die zweite Diagnoseoption anhand des Vorliegens eines SOC-Hubs von mindestens 20% innerhalb von maximal 1 bis 2 Stunden ermittelt werden. Preferably, the second diagnostic option is determined based on the presence of a period of time shorter than a reference period, for example, shorter than one hour or less than two hours. In particular, the second diagnostic option may be determined based on the presence of a SOC stroke of at least 20% within a maximum of 1 to 2 hours.
Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Computerprogramm vorgeschlagen, gemäß dem eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird, wenn das Computerprogramm auf einer programmierbaren Computereinrichtung ausgeführt wird. Das Computerprogramm wird bevorzugt auf einem Batteriesteuergerät begleitend zum normalen Betrieb ausgeführt. Bei dem Computerprogramm kann es sich insbesondere um ein Modul zur Implementierung eines Batteriediagnosesystems oder um ein Modul zur Implementierung eines Batteriemanagementsystems eines Fahrzeugs handeln. Das Computerprogramm kann auf einem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert werden, etwa auf einem permanenten oder wiederbeschreibbaren Speichermedium oder in Zuordnung zu einer Computereinrichtung, beispielsweise auf einem tragbaren Speicher, wie einer CD-ROM, einer DVD, einem USB-Stick oder einer Speicherkarte. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Computerprogramm auf einer Computereinrichtung, wie etwa auf einem Server oder einem Cloud-Server, zum Herunterladen bereitgestellt werden, beispielsweise über ein Datennetzwerk wie das Internet, oder eine Kommunikationsverbindung wie etwa eine Telefonleitung oder eine drahtlose Verbindung.According to the invention, a computer program is also proposed according to which one of the methods described herein is performed when the computer program is executed on a programmable computer device. The computer program is preferably executed on a battery control device accompanying normal operation. In particular, the computer program may be a module for implementing a battery diagnostic system or a module for implementing a battery management system of a vehicle. The computer program can be stored on a machine-readable storage medium, for example on a permanent or rewritable storage medium or in association with a computer device, for example on a portable storage, such as a CD-ROM, a DVD, a USB stick or a memory card. Additionally or alternatively, the computer program may be provided on a computing device, such as on a server or a cloud server, for downloading, for example via a data network such as the Internet, or a communication connection such as a telephone line or wireless connection.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Batteriemanagementsystem (BMS) bereitgestellt, mit einer Einheit zum Ermitteln eines Ladezustandsausgleichsbedarfswerts, einer Einheit zum Ermitteln von möglichen Diagnoseoptionen, einer Einheit zum Vergleichen des ermittelten Bedarfswertes mit einem Bedarfsschwellwert für eine ermittelte Diagnoseoption und einer Einheit zur Diagnostizierung des Zustands der Batterieeinheiten.According to the invention, a battery management system (BMS) is also provided with a unit for determining a state of charge compensation demand value, a unit for determining possible diagnostic options, a unit for comparing the determined demand value with a demand threshold for a determined diagnostic option and a unit for diagnosing the state of the battery units.
Erfindungsgemäß wird außerdem eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie oder eine Nickel-Metallhydrid-Batterie zur Verfügung gestellt, die ein Batteriemanagementsystem umfasst und mit einem Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs verbindbar ist, wobei das Batteriemanagementsystem wie zuvor beschrieben ausgebildet ist und/oder eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. The invention also provides a battery, in particular a lithium-ion battery or a nickel-metal hydride battery, which comprises a battery management system and can be connected to a drive system of a motor vehicle, wherein the battery management system is designed and / or set up as described above to carry out the method according to the invention.
Die Begriffe „Batterie“ und „Batterieeinheit“ werden in der vorliegenden Beschreibung dem üblichen Sprachgebrauch angepasst für Akkumulator beziehungsweise Akkumulatoreinheit verwendet. Die Batterie umfasst bevorzugt eine oder mehrere Batterieeinheiten, die eine Batteriezelle, ein Batteriemodul, ein Modulstrang oder einen Batteriepack bezeichnen können. Als Batteriepack werden dabei mehrere Zellen bezeichnet, die räumlich zusammengefasst sind und oft mit einem Gehäuse oder mit einer Ummantelung versehen sind. Die Batteriezellen sind dabei vorzugsweise untereinander fest verbunden und schaltungstechnisch miteinander verbunden, beispielsweise seriell oder parallel zu Modulen verschaltet. Mehrere Module können zu sogenannten Batteriedirektkonvertern (BDC, battery direct converter) verschaltet sein und mehrere Batteriedirektkonverter zu einem sogenannten Batteriedirektinverter (BDI, battery direct inverter).The terms "battery" and "battery unit" are used in the present description, the usual parlance used for accumulator or Akkumulatoreinheit. The battery preferably comprises one or more battery units, which may designate a battery cell, a battery module, a module string or a battery pack. As a battery pack while several cells are referred to, which are spatially combined and often provided with a housing or with a sheath. The battery cells are preferably firmly connected to each other and interconnected circuitry, for example, connected in series or parallel to modules. Several modules can be connected to so-called battery direct converters (BDCs) and several battery direct converters to a so-called battery direct inverter (BDI).
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Batterie zur Verfügung gestellt, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Bevorzugt wird das Verfahren bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen angewendet, bei welchen eine Zusammenschaltung mehrerer Batteriezellen zur Bereitstellung der nötigen Antriebsspannung des Fahrzeugs erfolgt.According to the invention, a motor vehicle is also provided with such a battery, wherein the battery is connected to a drive system of the motor vehicle. Preferably, the method is used in electrically powered vehicles, in which an interconnection of multiple battery cells to provide the necessary drive voltage of the vehicle takes place.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description. Show it:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Das Batteriemanagementsystem
Das wird am Beispiel mit 2 Batterieeinheiten gezeigt:
Eine erste Batterieeinheit sei mit Tiefindex L bezeichnet und eine zweite mit Tiefindex S. Die Batterieeinheiten weisen unterschiedliche Selbstentladungen auf,
Selbstentladung: σL, σS,
sowie unterschiedliche Kapazitäten,
Kapazität: CL > CS. This is shown by the example with 2 battery units:
A first battery unit is denoted Tiefindex L and a second with Tiefindex S. The battery units have different self-discharges,
Self-discharge: σ L , σ S,
as well as different capacities,
Capacity: C L > C p.
Es ergibt sich zum Zeitpunkt t in den Batterieeinheiten die Ladung
Der Ladungszustandsausgleichsbedarf ergibt sich aus folgender Gleichung:
Für das das initiale Debalancing kann C* = 0 gesetzt werden, wenn die Ladezustände ausgeglichen werden. Die Parameter Zeit t, und der Ladungsdurchsatz Q sind variabel. Das führt dazu, dass sich zwei Fälle unterscheiden lassen:
Fall 1: Festes SOC-Fenster, d. h. ΔQ = 0, erreichbar durch Entladen und wieder Aufladen zum ursprünglichen Ladezustand. In diesem Fall wird
Case 1: Fixed SOC window, ie ΔQ = 0, achievable by discharging and recharging to the original state of charge. In this case will
Im Fall 1 lassen sich anhand des Ladungszustandsausgleichsbedarfs große Selbstentladungs-Unterschiede ermitteln.In case 1, large self-discharge differences can be determined based on the charge state equalization requirement.
Fall 2: Ein SOC-Hub in kurzer Zeit, d. h. σ*·Δt ≈ 0. In diesem Fall wird
Im Fall 2 lassen sich anhand des Ladungszustandsausgleichsbedarfs große Kapazitäts-Unterschiede ermitteln.In
Um eine Diagnose für alle Batterieeinheiten eines Batteriepacks zu erhalten, das mehr als zwei Batterieeinheiten aufweist, wird das zuvor beschriebene Verfahren mit jeder Batterieeinheit im Vergleich zu einer beliebigen Referenzbatterieeinheit durchgeführt. Eine geeignete Referenzbatterieeinheit ist beispielsweise diejenige mit dem niedrigsten SOC im Batteriepack. Auf diese Weise ist die Diagnose für alle Batterieeinheiten durchführbar. Die erhöhte Selbstentladerate wird relativ zu anderen Zellen gemessen wird. Entladen sich alle Zellen gleichmäßig schnell, dann kann die Diagnose dies nicht erkennen. Dieser Fall ist aber bereits bei etwa 100 Zellen sehr unwahrscheinlich.In order to obtain a diagnosis for all battery units of a battery pack having more than two battery units, the above-described method is performed with each battery unit as compared with any reference battery unit. A suitable reference battery unit is, for example, the one with the lowest SOC in the battery pack. In this way, the diagnosis for all battery units is feasible. The increased self-discharge rate is measured relative to other cells. If all cells discharge evenly fast, then the diagnosis can not detect this. This Case is very unlikely even at about 100 cells.
Das Batteriemanagementsystem weist eine Einheit
Die Einrichtung
Das Batteriemanagementsystem
Das Batteriemanagementsystem
Selbstverständlich sind weitere Ausgestaltungen des Verfahrens möglich, in welchen die Ermittlung der einzelnen Diagnoseoptionen unabhängig voneinander geprüft werden. Of course, further embodiments of the method are possible in which the determination of the individual diagnostic options are checked independently.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not limited to the embodiments described herein and the aspects highlighted therein. Rather, within the scope given by the claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of expert action.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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