DE102013219082A1 - Verfahren zum Ladezustandsausgleich einer Batterie und Verfahren zum Aufladen einer Batterie - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ladezustandsausgleich einer Batterie, die mehrere Batterieeinheiten (1-1, 1-2, 1-3) aufweist. Das Verfahren umfasst die Schritte Ermitteln einer Entladetiefe jeder Batterieeinheit (1-1, 1-2, 1-3) nach einer erfolgten Aufladung der Batterieeinheiten (1-1, 1-2, 1-3), Ermitteln einer verfügbaren Ladung jeder Batterieeinheit (1-1, 1-2, 1-3) vor einer zu erfolgenden Aufladung der Batterieeinheiten (1-1, 1-2, 1-3), Ermitteln eines Ladzustandsausgleichsbedarfswertes anhand der ermittelten Entladetiefe und der ermittelten verfügbaren Ladung für jede Batterieeinheit (1-1, 1-2, 1-3) und Entladen jeder Batterieeinheit (1-1, 1-2, 1-3) auf Basis des ermittelten Ladezustandsausgleichsbedarfswertes.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Aufladen einer Batterie, die mehrere Batterieeinheiten (1-1, 1-2, 1-3) aufweist.
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.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ladezustandsausgleich einer Batterie, die mehrere Batterieeinheiten aufweist.
  • Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Aufladen einer Batterie, die mehrere Batterieeinheiten aufweist.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogramm und ein Batteriemanagementsystem, welche zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet sind, sowie eine Batterie und ein Kraftfahrzeug, dessen Antriebssystem mit einer derartigen Batterie verbunden ist.
  • Es ist bekannt, dass individuelle Ladezustände (SOC, state of charge) von Batterieeinheiten in einem Batteriepack auseinanderdriften können. Aus der DE 10 2008 002 190 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zum Ladezustandsausgleich von Fahrzeugbatterien bekannt, wobei der Ladezustandsausgleich während des Fahrbetriebs durchgeführt wird, indem zunächst der Ladezustand einzelner Zellen ermittelt wird, danach für wenigstens zwei dieser Zellen eine Ladungsmenge bestimmt wird, die die Zellen entladen werden sollen. Die Zellen werden entsprechend der berechneten Ladungsmenge entladen.
  • Ein sogenanntes resistives Balancing-Verfahren ist auch in der DE 10 2009 002 466 A1 beschrieben. In dieser Druckschrift wird alternativ auch so genanntes induktives Zell-Balancing beschrieben, wobei das Schaltungskonzept zur Angleichung der Zellspannungen auf einer induktiven Zwischenspeicherung der dabei transportierten elektrischen Energie beruht.
  • Gründe dafür, dass die Ladezustände der Batterieeinheiten auseinanderdriften, sind zum Beispiel unterschiedliche Selbstentladungsraten der Batterieeinheiten, unterschiedliche Ladeeffizienzen oder unterschiedliche Kapazitäten. Diese Effekte müssen nicht miteinander gekoppelt sein. Es kann also sein, dass eine Batterieeinheit eine hohe Selbstentladung im Betrieb hat, d. h. beim Entladen, aber beim Aufladen auch eine hohe Ladeeffizienz hat, d. h. mehr Ladung als andere Zellen als verwertbare Ladung des Ladestroms aufnehmen kann. In diesem Fall gleichen sich die beiden Effekte teilweise von alleine aus. Aktuelle Ladezustandsausgleichsverfahren berücksichtigen diesen Effekt nicht und müssen daher mehr Ladung als notwendig ausgleichen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Ladezustandsausgleich einer Batterie, die mehrere Batterieeinheiten aufweist, umfasst die folgenden Schritte:
    • a) Ermitteln einer Entladetiefe jeder Batterieeinheit nach einer erfolgten Aufladung der Batterieeinheiten,
    • b) Ermitteln einer verfügbaren Ladung jeder Batterieeinheit vor einer zu erfolgenden Aufladung der Batterieeinheiten,
    • c) Ermitteln eines Ladzustandsausgleichsbedarfswertes anhand der ermittelten Entladetiefe und der ermittelten verfügbaren Ladung für jede Batterieeinheit und
    • d) Entladen jeder Batterieeinheit auf Basis des ermittelten Ladezustandsausgleichsbedarfswertes.
  • Der Schritt a) erfolgt nach dem Aufladen, bevorzugt nach einem vollständigen Aufladen der Batterieeinheiten, d.h. wenn der Batteriepack geladen ist. Zwischen Schritt a) und Schritt b) findet eine Teilentladung oder eine vollständige Entladung der Batterieeinheiten statt. Schritt b) erfolgt bevorzugt unmittelbar vor einer Wiederaufladung. Der Zeitpunkt nach der erfolgten Aufladung wird in den folgenden Formeln mit dem Index 1 bezeichnet und der Zeitpunkt vor der zu erfolgenden Aufladung mit dem Index 2.
  • Bei der Ermittlung des Ladzustandsausgleichsbedarfswertes werden unterschiedliche Selbstentladungsraten der Batterieeinheiten und unterschiedliche Ladeeffizienzen berücksichtigt. Als Ladeeffizienz wird der Anteil der verwertbaren Ladung relativ zum Anteil der als Ladestrom geflossenen Ladung bezeichnet.
  • Mit den Maßnahmen der Erfindung wird in Summe keine Ladung unnötig ausgeglichen, sondern lediglich der Nettobedarf über alle Effekte symmetrisiert, die zu unterschiedlichen individuellen Ladezuständen der Batterieeinheiten führen. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass die Bauelemente der Ladezustandsausgleichselektronik sich nicht unnötig erwärmen und schneller altern. Der Temperaturhub beim Ladezustandsausgleich kann typischerweise ca. 40 K betragen. Außerdem wird eine schnellere Alterung der Lötverbindungen vermieden, welche durch den vom Ladezustandsausgleich verursachten Temperaturwechsel hervorgerufen wird.
  • Die Regelschleife, die den Vergleich des Ladezustands nach dem Aufladen zu dem Ladezustand vor dem Aufladen umfasst, ist darüber hinaus adaptiv ausgebildet und kann sich auf gegebenenfalls durch Alterung bedingte Veränderungen in Kapazitäten, Selbstentladungsraten und Ladeeffizienzen der Batterieeinheiten anpassen.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens sind durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen möglich.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird in Schritt a) die Entladetiefe ermittelt mit den Schritten:
    • a1) Ermitteln eines Ladezustands jeder Batterieeinheit,
    • a2) Ermitteln einer Batterieeinheit mit maximalem Ladezustand und
    • a3) Ermitteln eines ersten Ladungsdifferenzwertes jeder Batterieeinheit gegenüber der Batterieeinheit mit maximalem Ladezustand.
  • Zur Berechnung des Ladezustands (SOC, state of charge) der Batterieeinheit wird im Allgemeinen ein Modell der Batterieeinheit zugrunde gelegt. Ein Beispiel für ein derartiges Modell ist in 1 dargestellt. Besonders bevorzugt wird in Schritt a1) der Ladezustand anhand eines Ladestroms und einer offenen Klemmenspannung (OCV, open circuit voltage) der Batterie ermittelt. Dies kann beispielsweise durch Berechnung eines Ladestromintegrals erfolgen, insbesondere durch ein computergestütztes Verfahren.
  • Der im Schritt a2) ermittelte maximale Ladezustand wird auch als maxi(Q1,i) bezeichnet, wobei die Ermittlung des ersten Ladungsdifferenzwertes gemäß Schritt a3) sich darstellen lässt als ΔQ1,i = maxi(Q1,i) – Q1,i.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird in Schritt b) des Verfahrens die noch verfügbare Ladung ermittelt mit den Schritten:
    • b1) Ermitteln eines Ladezustands jeder Batterieeinheit,
    • b2) Ermitteln einer Batterieeinheit mit minimalem Ladezustand und
    • b3) Ermitteln eines zweiten Ladungsdifferenzwertes jeder Batterieeinheit gegenüber der Batterieeinheit mit minimalem Ladezustand.
  • Besonders bevorzugt wird in Schritt b1) der Ladezustand anhand der Ermittlung eines Ladestroms und einer offenen Klemmenspannung der Batterieeinheit ermittelt. Insbesondere kann beispielsweise computergesteuert ein Entladestromintegral errechnet werden, so dass sich anhand eines geeigneten Modells, beispielsweise anhand des Modells aus 1, die noch verfügbare Ladung jeder Batterieeinheit ermitteln lässt.
  • Der im Schritt b2) ermittelte minimale Ladezustand wird im Rahmen der Erfindung auch als mini(Q2,i) bezeichnet, so dass sich die Ermittlung des zweiten Ladungsdifferenzwertes jeder Batterieeinheit gegenüber der Batterieeinheit mit minimalem Ladezustand gemäß Schritt b3) darstellen lässt als ΔQ2,i = Q2,i – mini(Q2,i).
  • Die Ermittlung des Ladezustandsausgleichsbedarfswertes anhand der ermittelten Entladetiefe und der ermittelten verfügbaren Ladung für jede Batterieeinheit gemäß Schritt c) lässt sich gemäß einer bevorzugten Ausführungsform darstellen als ΔQi = ΔQ2,i – ΔQ1,i.
  • Besonders bevorzugt wird ΔQi stets ≥ gesetzt, da bei typischen Ladezustandsausgleichsverfahren, wie etwa resistivem Balancing oder induktivem Balancing, nur Ladung aus einer Batterieeinheit entnommen werden kann. Dies lässt sich darstellen als ΔQi = max(ΔQ2,i – ΔQ1,i, 0).
  • Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Aufladen einer Batterie, die mehrere Batterieeinheiten aufweist, in einem ersten Schritt eines der im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Verfahren zum Ladezustandsausgleich der Batterie und in einem zweiten Schritt ein Aufladen der Batterieeinheiten.
  • Vorteilhaft wird der Ladezustandsausgleich vor dem Aufladen hergestellt, so dass die Batterieeinheiten nach dem Aufladen die gleiche Menge verwertbarer Ladung haben. Hierdurch wird erreicht, dass der Anteil an Ladungs-Asymmetrie, der aufgrund unterschiedlicher Ladeeffizienzen der Batterieeinheiten durch das Aufladen selbst entstehen wird, schon beim Ladezustandsausgleich vor dem Aufladen berücksichtigt wird. Das Verfahren zum Aufladen der Batterie umfasst demnach eine Regelschleife, welche den erzielten Ladezustandsausgleichserfolg auf die Vorhersage beim nächsten Ladezustandsausgleich rückkoppelt, so dass die Summe an ausgeglichener Ladung möglichst klein bleibt. Durch den Ladezustandsausgleich vor dem Aufladen der Batterie kann das System nach dem Aufladen in den Zustand maximal verfügbarer Ladung gebracht werden.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird im zweiten Schritt des Verfahrens zum Aufladen der Batterie das Aufladen aller Batterieeinheiten durch das Minimum einer effektiven Entladetiefe (effective DOD, effective depth of discharge) der Batterieeinheiten begrenzt. Die effektive Entladetiefe jeder Batterieeinheiten wird dabei anhand einer Ladeeffizienz und einer Entladetiefe (DOD, depth of discharge) der Batterieeinheit ermittelt.
  • Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Computerprogramm vorgeschlagen, gemäß dem eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird, wenn das Computerprogramm auf einer programmierbaren Computereinrichtung ausgeführt wird. Bei dem Computerprogramm kann es sich insbesondere um ein Modul zur Implementierung eines Batteriebalancingsystems oder um ein Modul zur Implementierung eines Batteriemanagementsystems eines Fahrzeugs handeln.
  • Nach einem weiteren Aspekt umfasst ein Batteriemanagementsystem einer Batterie, die mehrere Batterieeinheiten aufweist, eine Einheit zur Ermittlung einer Entladetiefe jeder Batterieeinheit nach einer erfolgten Aufladung der Batterieeinheiten, eine Einheit zur Ermittlung einer verfügbaren Ladung jeder Batterieeinheit vor einer zu erfolgenden Aufladung der Batterieeinheiten, eine Einheit zur Ermittlung eines Ladezustandsausgleichsbedarfswertes anhand der ermittelten Ladetiefe und der ermittelten verfügbaren Ladung für jede Batterieeinheit und eine Einheit zum Steuern des Entladens jeder Batterieeinheit auf Basis des ermittelten Ladezustandsausgleichsbedarfswertes.
  • Besonders bevorzugt ist ein Batteriemanagementsystem, welches außerdem eine Einheit zum Steuern des Aufladeverhaltens der Batteriemodule aufweist.
  • Erfindungsgemäß wird außerdem eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie oder eine Nickel-Metallhydrid-Batterie, zur Verfügung gestellt, die ein Batteriemanagementsystem umfasst und bevorzugt mit einem Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs verbindbar ist, wobei das Batteriemanagementsystem wie zuvor beschrieben ausgebildet ist und/oder eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
  • 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).
  • 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 einer Vielzahl von Batteriezellen zur Bereitstellung der nötigen Antriebsspannung des Fahrzeugs erfolgt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
  • 1A und 1B ein beispielhaftes Ersatzschaltbild einer Batterieeinheit,
  • 2A und 2B drei Batterieeinheiten mit Ladzuständen nach und vor dem Aufladen und
  • 3 eine schematische Darstellung eines Batteriemanagementsystems.
  • 1A und 1B zeigen ein Ersatzschaltbild einer Batterieeinheit 1 nach einem Modell, beispielsweise einer Batteriezelle. Ein solches Ersatzschaltbild ist in der Literatur ausführlich beschrieben, z.B. in „Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen“ von Jossen, Weydanz. Die Batterieeinheit 1 umfasst eine ideale Stromquelle 2, ein hierzu in Reihe geschaltetes RC-Glied 4 mit parallel zueinander geschaltetem Kondensator 6 und Widerstand 8, und einen weiteren hierzu in Reihe geschalteten Widerstand 10. Die Batterieeinheit umfasst außerdem einen Verlustwiderstand 12, über welchem eine Klemmenspannung UKl anliegt. Ein Klemmenstrom IKl trennt sich in einem Ladestrom IL über den weiteren Widerstand 10 und in einen Verluststrom ILoss über den Verlustwiderstand 12 auf. Die Ladeeffizienz der Batterieeinheit 1 lässt sich in diesem Modell als
    Figure DE102013219082A1_0002
    darstellen.
  • In 1b ist die gleiche Batterieeinheit 1 dargestellt, wobei sich hier ein Entladestrom ID aufteilt in einen Klemmenstrom IKl und in einen Verluststrom ILoss über den Verlustwiderstand 12. Da die chemischen Verlustmechanismen beim Aufladen und beim Entladen nicht identisch sein müssen, kann in dem in 1A und 1B dargestellten Modell der ohmsche Wert des Verlustwiderstands 12 beim Aufladen und beim Entladen unterschiedlich sein, d. h. RV,L ≠ RV,D.
  • Daher sind unterschiedliche Lade-/Entladeeffizienzen möglich.
  • 2 zeigt drei Batterieeinheiten 1-1, 1-2, 1-3 mit unterschiedlichen Ladezuständen nach dem Aufladen (2A) und vor dem Aufladen (2B).
  • Der Ladezustand der i-ten Batterieeinheit 1-i nach dem Aufladen wird mit Q1,i bezeichnet. Die am höchsten aufgeladene Batterie ist die dritte Batterieeinheit 1-3. Für die in 2A dargestellte Situation nach dem Aufladen ergibt sich maxi(Q1,i) = Q1,3 ΔQ1,1 = Q1,3 – Q1,1 ΔQ1,2 = Q1,3 – Q1,2 ΔQ1,3 = Q1,3 – Q1,3 = 0
  • In 2B ist die Situation der drei Batterieeinheiten 1-1, 1-2, 1-3 vor dem Aufladen dargestellt. Die am geringsten aufgeladene Batterieeinheit ist die erste Batterieeinheit 1-1. Für die dargestellte Situation ergibt sich also mini(Q2,i) = Q2,1 ΔQ2,1 = Q2,1 – Q2,1 = 0 ΔQ2,2 = Q2,2 – Q2,1 ΔQ2,3 = Q2,3 – Q2,1
  • 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Batteriemanagementsystem 14, welches eingerichtet ist, eine Anzahl von Batterieeinheiten 1 zu überwachen und zu steuern. Die Kommunikation zwischen dem Batteriemanagementsystem 14 und den Batterieeinheiten 1 erfolgt über geeignete Kommunikationseinheiten 26, 28 als Schnittstellen zu einem Kommunikationskanal 30, beispielsweise zu einem CAN-Bus. Das Batteriemanagementsystem 14 kann alternativ auch per Messleitung direkt an die Batterieeinheiten 1 angeschlossen sein, so dass keine Kommunikation über einen Bus notwendig ist.
  • Das Batteriemanagementsystem 14 weist eine Einheit 16 zur Ermittlung einer Entladetiefe der Batterieeinheiten 1 auf. Die Einheit 16 zur Ermittlung der Entladetiefe der Batterieeinheiten 1 ist außerdem eingerichtet, den Zeitpunkt einer erfolgten Aufladung der Batterieeinheiten festzustellen. Nach der Aufladung ermittelt die Einheit 16 die Entladetiefe der Batterieeinheiten 1 beispielsweise durch Ermitteln des aktuellen Ladezustands jeder Batterieeinheit, durch Ermitteln der Batterieeinheit mit maximalem Ladezustand und durch Ermitteln der ersten Ladungsdifferenzwerte jeder Batterieeinheit gegenüber der Batterieeinheit mit maximalem Ladezustand, wie mit Bezug zu 2A beschrieben.
  • Das Batteriemanagementsystem 14 weist außerdem eine Einheit 18 zur Ermittlung der verfügbaren Ladung jeder Batterieeinheit vor einer zu erfolgenden Aufladung der Batterieeinheiten auf. Die Einheit 18 ist eingerichtet, den Zeitpunkt einer zu erfolgenden Aufladung der Batterieeinheiten festzustellen. Beispielsweise kann hierzu vorgesehen sein, dass die Einheit 18 Informationen über einen niedrigen Ladezustand der Batterie und/oder über einen kritischen Ladezustand der Batterie auf einem geeigneten Kommunikationskanal, wie etwa dem CAN-Bus, auswertet und beispielsweise im Zuge der Signalisierung des niedrigen oder kritischen Batteriezustands an den Fahrer des Fahrzeugs die verfügbare Ladung jeder Batterieeinheit ermittelt. Weiterhin ist möglich, dass das Batteriemanagementsystem 14 auch durch den Anschluss eines Aufladers erkennt, dass das System aufzuladen ist. Daraufhin kann es die Berechnungen durchführen. Die hierin beschriebenen Rechenschritte b1)–b3) können permanent ausgeführt werden, jedoch nicht beim Laden, und beispielsweise in einem Ringspeicher gespeichert werden, wobei der Ringspeicher die Länge 1 aufweist. Wird das Aufladen erkannt, dann wird der letzte gespeicherte Wert nicht mehr überschrieben und für die Auswertung verwendet. Die Ermittlung der noch verfügbaren Ladung wird von der Einheit 18 beispielsweise durch Ermitteln des Ladezustands jeder Batterieeinheit, durch Ermitteln der Batterieeinheit mit minimalem Ladezustand und durch Ermitteln des zweiten Ladungsdifferenzwertes jeder Batterieeinheit gegenüber der Batterieeinheit mit minimalem Ladezustand ausgeführt, wie mit Bezug zu 2B beschrieben.
  • Das Batteriemanagementsystem 14 weist außerdem eine Einheit 20 zur Ermittlung eines Ladezustandsausgleichsbedarfswertes auf, welche Daten der Einheit 18 zur Ermittlung der verfügbaren Ladung und Daten der Einheit 16 zur Ermittlung der Entladetiefe jeder Batterieeinheit empfängt und verarbeitet. Die Einheit 20 zur Ermittlung des Ladezustandsausgleichsbedarfswerts kann den Ladezustandsausgleichsbedarfswert beispielsweise durch Differenzbildung der verfügbaren Ladung jeder Batterieeinheit und der Entladetiefe jeder Batterieeinheit ermitteln, wobei der hieraus berechnete Wert auf Null gesetzt wird, sobald er negativ ist.
  • Das Batteriemanagementsystem 14 weist außerdem eine Einheit 22 zum Steuern des Entladens der Batterieeinheiten auf Basis der ermittelten Ladezustandsausgleichsbedarfswertes auf, welche den Ladezustandsausgleichsbedarfswert von der Einheit 20 empfängt. Das Batteriemanagementsystem 14 weist weiterhin eine Einheit 24 zum Steuern der Aufladung der Batterieeinheiten auf Basis der ermittelten Ladezustandsausgleichsbedarfswertes auf, welche den Ladezustandsausgleichsbedarfswert von der Einheit 20 empfängt. Die Einheit 22 zum Steuern des Entladens jeder Batterieeinheit ist in diesem Ausführungsbeispiel mit der Einheit 24 gekoppelt, welche zum Steuern der Aufladung der Batterieeinheiten eingerichtet ist. Die Einheit 22 zum Steuern des Entladens der Batterieeinheiten und die Einheit 24 zum Steuern der Aufladung der Batterieeinheiten sind an die Kommunikationseinheit 28 zu den Batterieeinheiten 1 angeschlossen.
  • Beispiele
  • Das Verfahren soll beispielhaft an drei Zellen mit unterschiedlichen Selbstentladungsraten und mit unterschiedlichen Ladeeffizienzen, aber gleicher Kapazität erläutert werden. Die Spezifikation der drei Zellen lautet wie folgt:
    Zelle 1 2 3
    Selbstentladungsrate [A] 0 0,01 0,02
    Lade-Effizienz [100 %] 0,9 0,95 1
    Kapazität [Ah] 10 10 10
  • In der folgenden Tabelle sind vier Entlade-/Ladevorgänge dargestellt:
    Aktion Observable Zelle 1 Zelle 2 Zelle 3 Delta Zellentladung [Ah] Gesamtbalancing-Ladung [Ah]
    Start Zell-Ladung Q1,i[Ah] 10 10 10 0
    ΔQ1,i [Ah] 0,00 0,00 0,00
    1 h Entladung mit 7 A Zellentladung [Ah] 7,00 7,01 7,02
    Zell-Ladung (Q2,i) [Ah] 3,00 2,99 2,98
    Ladungsdifferenz zu mini (Q2,i)[Ah] 0,02 0,01 0,00
    Balancing-Ladung ΔQi [Ah] 0,02 0,01 0,00 0,03
    Balancing Zell-Ladung nach Balancing [Ah] 2,98 2,98 2,98
    DOD [Ah] 7,02 7,02 7,02
    eff. DOD [Ah] 7,80 7,39 7,02
    Aufladen*) Zell-Ladung [Ah] 9,30 9,65 10,00 0,70
    DOD [Ah] 0,70 0,35 0,00
    1 h Entladung mit 7 A Zellentladung [Ah] 7,00 7,01 7,02
    Zell-Ladung (Q2,i) [Ah] 2,30 2,64 2,98
    Ladungsdifferenz zu mini (Q2,i) [Ah] 0,00 0,34 0,68
    Balancing-Ladung ΔQi [Ah] 0,00 0,00 0,68 0,68
    Balancing Zell-Ladung nach Balancing [Ah] 2,30 2,64 2,30
    DOD [Ah] 7,70 7,36 7,70
    eff. DOD [Ah] 8,56 7,74 7,70
    Aufladen*) Zell-Ladung [Ah] 9,23 9,96 10,00 0,77
    DOD [Ah] 0,77 0,04 0,00
    1 h Entladung mit 7 A Zellentladung [Ah] 7,00 7,01 7,02
    Zell-Ladung (Q2,i) [Ah] 2,23 2,96 2,98
    Ladungsdifferenz zu mini (Q2,i) [Ah] 0,00 0,73 0,75
    Balancing-Ladung ΔQi [Ah] 0,00 0,69 0,75 1,44
    Balancing Zell-Ladung nach Balancing [Ah] 2,23 2,27 2,23
    DOD [Ah] 7,77 7,73 7,77
    eff. DOD [Ah] 8,63 8,14 7,77
    Aufladen*) Zell-Ladung [Ah] 9,22 9,65 10,00 0,78
    DOD [Ah] 0,78 0,35 0,00
    1 h Entladung mit 7 A Zellentladung [Ah] 7,00 7,01 7,02
    Zell-Ladung (Q2,i) [Ah] 2,22 2,65 2,98
    Ladungsdifferenz zu mini (Q2,i) [Ah] 0,00 0,42 0,76
    Balancing-Ladung ΔQi [Ah] 0,00 0,07 0,76 0,85
    Balancing Zell-Ladung nach Balancing [Ah] 2,22 2,57 2,22
    DOD [Ah] 7,78 7,43 7,78
    eff. DOD [Ah] 8,64 7,82 7,78
    Aufladen*) Zell-Ladung [Ah] 9,22 9,96 10,00 0,78
    *) die pro Zelle angebotene Ladung ist das Minimum der effektiven DOD (eff. DOD).
  • Zu Beginn (Start) sind alle drei Zellen auf 10 Ah aufgeladen. Es folgt eine Stunde Entladung mit 7A, wobei sich aufgrund der Selbstentladung unterschiedliche Zellladungen an Zelle 1, Zelle 2 und Zelle 3 ergeben, nämlich 3 Ah an Zelle 1, 2,99 Ah an Zelle 2 und 2,98 Ah an Zelle 3. Dieser Zustand soll erfindungsgemäß vor einer zu erfolgenden Ladung der Zellen festgestellt werden, beispielsweise wird zu diesem Zeitpunkt ein Signal des kritischen Batteriezustands an den Fahrer ausgegeben, woraufhin die Zellen aufgeladen werden. Vor dem Aufladen wird ein Ladungsausgleich durchgeführt. Hierzu wird zunächst die Zelle mit der minimalen Ladung bestimmt, welches in diesem Fall die Zelle 3 mit 2,98 Ah ist, und für jede Zelle ein im Rahmen der Erfindung als zweiter Ladungsdifferenzwert bezeichneter Wert ΔQ2,i als Differenz der Zellladung zur minimalen Zellladung berechnet. Für die erste Zelle ergibt sich eine Ladungsdifferenz von 0,02 Ah, für die zweite Zelle eine Ladungsdifferenz von 0,01 Ah und für die dritte Zelle keine Ladungsdifferenz. Im nächsten Schritt wird der Ladezustandsausgleichsbedarfswert berechnet, welcher für diesen Fall, dass zu Beginn die Zellladung für sämtliche Zellen gleich war, mit dem zweiten Ladungsdifferenzwert übereinstimmt. Jede Zelle wird nun auf Basis des ermittelten Ladezustandsausgleichsbedarfswerts entladen, so dass sich nach dem Balancing für jede Zelle dieselbe Zellladung 2,98 ergibt.
  • Im nächsten Schritt wird eine Entladetiefe der Zellen ermittelt, welche sich für alle drei Zellen zu 7,02 Ah ergibt. Da die drei Zellen jedoch unterschiedliche Ladeeffizienzen besitzen, nämlich die Zelle 3 eine 100%ige Ladeeffizienz, die Zelle 2 eine 95%ige Ladeeffizienz und die Zelle 1 eine 90%ige Ladeeffizienz, ergibt sich eine effektive Entladetiefe (depth of discharge, DOD) als 7,80 für die Zelle 1, 7,39 für die Zelle 2 und 7,02 für die Zelle 3. Um ein Überladen zu vermeiden, wird den drei Zellen beim Aufladen das Minimum der effektiven Entladetiefe angeboten, in diesem Fall 7,02 Ah. Nach dem Aufladen der Zellen ist nur noch die dritte Zelle auf 10 Ah aufgeladen. Nach dem Aufladen erfolgt gemäß Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens die Ermittlung der Entladetiefe jeder Batterieeinheit, welche sich für die erste Zelle zu 0,7 Ah ergibt, für die zweite Zelle zu 0,35 Ah und für die dritte Zelle zu 0 Ah.
  • In einem zweiten Zyklus wird wiederum eine einstündige Entladung mit 7 A angenommen, welche aufgrund der unterschiedlichen Ladung der Zellen nach der Aufladung und der unterschiedlichen Selbstentladeraten zu einer Zellladung von 2,3 Ah im Falle der Zelle 1, zu 2,64 Ah im Falle der Zelle 2 und zu 2,98 Ah im Falle der Zelle 3 führt. Die Zelle 1 bildet nun die minimal aufgeladene Zelle. Zelle 2 weist eine Ladungsdifferenz von 0,34 Ah auf und Zelle 3 eine Ladungsdifferenz von 0,68 Ah. Da die Ladezustandsausgleichsbedarfswerte sich aus der Differenz der zuvor ermittelten Entladetiefe und der verfügbaren Ladung für jede Batterieeinheit ergeben, kommt es bei dieser Konfiguration dazu, dass sowohl die Zelle 1 als auch die Zelle 2 nicht entladen werden. Im Falle der Zelle 2 ergibt sich der Ladzustandsausgleichsbedarfswert ΔQ2 = 0,34 Ah – 0,35 Ah = –0,01 Ah. Da nur entladen werden kann, aber nicht aufgeladen, wird der Ladzustandsausgleichsbedarfswert gleich Null gesetzt. Lediglich die Zelle 3 wird also mit 0,68 Ah entladen. Nach dem Entladen der Batterieeinheiten auf Basis der ermittelten Ladezustandsausgleichsbedarfswerte ergibt sich, dass die Zellen unterschiedliche Zellladung aufweisen, die Zelle 2 weist eine Ladung von 2,64 Ah auf, während die Zellen 1 und 3 eine Ladung von 2,3 Ah aufweisen. Das Aufladen der Zellen um das Minimum der effektiven Entladetiefe schließt den zweiten Ladezyklus ab.
  • Die Summe der Ladezustandsausgleichsbedarfswerte ergab im ersten Zyklus einen Gesamtladezustandsausgleichsbedarfswert von 0,35 Ah, im zweiten Zyklus von 0,68 Ah. Im dritten Zyklus, der wiederum eine Stunde Entladung mit 7A umfasst, ergibt sich ein Gesamtladezustandsausgleichsbedarfswert von 1,44 Ah. Im vierten Zyklus, der unter gleichen Bedingungen abläuft, ergibt sich ein Gesamtladezustandsausgleichsbedarfswert von 0,83 Ah.
  • Im Folgenden wird gezeigt, was geschieht, wenn unter den gleichen Rahmenbedingungen wie zuvor der Ladezustandsausgleichsbedarfswert für die Zellen lediglich anhand der verfügbaren Ladung für jede Batterieeinheit ermittelt wird. Die Rahmenbedingungen umfassen vier Zyklen mit jeweils einer Stunde Entladung mit 7A, anschließendes Balancing und Aufladen, wobei das Aufladen auf das Minimum der effektiven Entladetiefe begrenzt wird.
    Aktion Observable Zelle 1 Zelle 2 Zelle 3 Delta Zellentladung [Ah] Gesamtbalancing-Ladung [Ah]
    Start Zell-Ladung Q1,i[Ah] 10,0 0 10,00 10,00 0
    ΔQ1,i [Ah] 0,00 0,00 0,00
    1 h Entladung mit 7 A Zellentladung [Ah] 7,00 7,01 7,02
    Zell-Ladung (Q2,i) [Ah] 3,00 2,99 2,98
    Ladungsdifferenz zu mini (Q2,i)[Ah] 0,02 0,01 0,00
    Balancing-Ladung ΔQi [Ah] 0,02 0,01 0,00 0,03
    Balancing Zell-Ladung nach Balancing [Ah] 2,98 2,98 2,98
    DOD [Ah] 7,02 7,02 7,02
    eff. DOD [Ah] 7,80 7,39 7,02
    Aufladen*) Zell-Ladung [Ah] 9,30 9,65 10,00 0,7
    DOD [Ah] 0,70 0,35 0,00
    1 h Entladung mit 7 A Zellentladung [Ah] 7,00 7,01 7,02
    Zell-Ladung (Q2,i) [Ah] 2,30 2,64 2,98
    Ladungsdifferenz zu mini (Q2,i) [Ah] 0,00 0,35 0,68
    Balancing-Ladung ΔQi [Ah] 0,00 0,35 0,68 1,03
    Balancing Zell-Ladung nach Balancing [Ah] 2,30 2,30 2,30
    DOD [Ah] 7,70 7,70 7,70
    eff. DOD [Ah] 8,56 8,11 7,70
    Aufladen*) Zell-Ladung [Ah] 9,23 9,61 10,00 0,77
    DOD [Ah] 0,77 0,39 0,00
    1 h Entladung mit 7 A Zellentladung [Ah] 7,00 7,01 7,02
    Zell-Ladung (Q2,i) [Ah] 2,23 2,61 2,98
    Ladungsdifferenz zu mini (Q2,i) [Ah] 0,00 0,38 0,75
    Balancing-Ladung ΔQi [Ah] 0,00 0,38 0,75 1,13
    Balancing Zell-Ladung nach Balancing [Ah] 2,23 2,23 2,23
    DOD [Ah] 7,77 7,77 7,77
    eff. DOD [Ah] 8,63 8,18 7,77
    Aufladen*) Zell-Ladung [Ah] 9,22 9,61 10,00 0,78
    DOD [Ah] 0,78 0,39 0,00
    1 h Entladung mit 7 A Zellentladung [Ah] 7,00 7,01 7,02
    Zell-Ladung (Q2,i) [Ah] 2,22 2,61 2,98
    Ladungsdifferenz zu mini (Q2,i) [Ah] 0,00 0,38 0,76
    Balancing-Ladung ΔQi [Ah] 0,00 0,38 0,76 1,14
    Balancing Zell-Ladung nach Balancing [Ah] 2,22 2,22 2,22
    DOD [Ah] 7,78 7,78 7,78
    eff. DOD [Ah] 8,64 8,19 7,78
    Aufladen*) Zell-Ladung [Ah] 9,22 9,61 10,00 0,78
    *) die pro Zelle angebotene Ladung ist das Minimum der effektiven DOD (eff. DOD).
  • Es zeigt sich, dass nach jedem erfolgten Entladen der Batterieeinheiten auf Basis der ermittelten Ladezustandsausgleichsbedarfswerte die Zellen eine einheitliche Ladung aufweisen, im ersten Zyklus 2,98 Ah, im zweiten Zyklus 2,30 Ah, im dritten Zyklus 2,23 Ah und im vierten Zyklus 2,22 Ah.
  • Im Vergleich führen die beiden Verfahren zu unterschiedlichen Gesamtladezustandsausgleichsbedarfswerten in allen Zyklen, außer im ersten. Im ersten Zyklus, bei welchem die Zellen eine einheitliche Zellladung aufweisen, ergibt sich in beiden Fällen der Gesamtladezustandsausgleichsbedarfswert zu 0,03 Ah. Nach dem zweiten Zyklus ergibt sich im ersten Fall ein Wert von 0,68 Ah und im zweiten Fall ein Wert von 1,03 Ah. Nach dem dritten Zyklus ergibt sich im ersten Fall ein Wert von 1,44 Ah und im zweiten Fall ein Wert von 1,13 Ah. Nach dem vierten Zyklus ergibt sich im ersten Fall ein Wert von 0,83 Ah und im zweiten Fall ein Wert von 1,14 Ah.
  • Es ist nicht der Fall, dass sich die Werte Gesamtladezustandsausgleichsbedarfswerte der vorgestellten Verfahren über mehrere Zyklen ausgleichen. Zwar liegt im dritten Zyklus der Wert für das erste Verfahren höher als der Wert für das zweite Verfahren, jedoch ergibt sich die Summe aus dem zweiten und dritten Zyklus im ersten Verfahren zu 2,12 Ah und im zweiten Verfahren zu 2,16 Ah, was unterschiedlich ist. Im vierten Zyklus liegt der Wert gemäß dem ersten Verfahren wieder unterhalb des Wertes gemäß dem zweiten Verfahren.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102008002190 A1 [0004]
    • DE 102009002466 A1 [0005]

Claims (11)

  1. Verfahren zum Ladezustandsausgleich einer Batterie, die mehrere Batterieeinheiten (1) aufweist, mit den Schritten: a) Ermitteln einer Entladetiefe jeder Batterieeinheit (1) nach einer erfolgten Aufladung der Batterieeinheiten (1), b) Ermitteln einer verfügbaren Ladung jeder Batterieeinheit (1) vor einer zu erfolgenden Aufladung der Batterieeinheiten (1), c) Ermitteln eines Ladzustandsausgleichsbedarfswertes anhand der ermittelten Entladetiefe und der ermittelten verfügbaren Ladung für jede Batterieeinheit (1), d) Entladen jeder Batterieeinheit (1) auf Basis des ermittelten Ladezustandsausgleichsbedarfswertes.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) die Entladetiefe ermittelt wird mit den Schritten: a1) Ermitteln eines Ladezustands jeder Batterieeinheit (1), a2) Ermitteln einer Batterieeinheit mit maximalem Ladezustand und a3) Ermitteln eines ersten Ladungsdifferenzwertes jeder Batterieeinheit (1) gegenüber der Batterieeinheit mit maximalem Ladezustand.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a1) der Ladezustand anhand der Ermittlung eines Ladestroms und einer offenen Klemmenspannung der Batterie ermittelt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) die noch verfügbare Ladung ermittelt wird mit den Schritten: b1) Ermitteln eines Ladezustands jeder Batterieeinheit (1), b2) Ermitteln einer Batterieeinheit mit minimalem Ladezustand und b3) Ermitteln eines zweiten Ladungsdifferenzwertes jeder Batterieeinheit (1) gegenüber der Batterieeinheit mit minimalem Ladezustand.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b1) der Ladezustand anhand der Ermittlung eines Ladestroms und einer offenen Klemmenspannung der Batterie ermittelt wird.
  6. Verfahren zum Aufladen einer Batterie, die mehrere Batterieeinheiten (1) aufweist, wobei in einem ersten Schritt das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchgeführt wird und in einem zweiten Schritt ein Aufladen der Batterieeinheiten (1) erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei im zweiten Schritt das Aufladen aller Batterieeinheiten durch das Minimum einer effektiven Entladetiefe der Batterieeinheiten begrenzt wird.
  8. Computerprogramm zur Durchführung eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wenn das Computerprogramm auf einer programmierbaren Computereinrichtung ausgeführt wird.
  9. Batteriemanagementsystem (14) einer Batterie, die mehrere Batterieeinheiten (1) aufweist, mit einer Einheit (16) zur Ermittlung einer Entladetiefe jeder Batterieeinheit nach einer erfolgten Aufladung der Batterieeinheiten (1), einer Einheit (18) zur Ermittlung einer verfügbaren Ladung jeder Batterieeinheit (1) vor einer zu erfolgenden Aufladung der Batterieeinheiten (1), einer Einheit (20) zur Ermittlung eines Ladezustandsausgleichsbedarfswertes anhand der ermittelten Ladetiefe und der ermittelten verfügbaren Ladung für jede Batterieeinheit (1) und einer Einheit (22) zum Steuern des Entladens jeder Batterieeinheit (1) auf Basis des ermittelten Ladezustandsausgleichsbedarfswertes.
  10. Batterie, die mehrere Batterieeinheiten (1) und ein Batteriemanagementsystem (14) nach Anspruch 9 umfasst.
  11. Kraftfahrzeug mit einer Batterie nach Anspruch 10, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
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